復旦大學Angew. Chem. Int. Ed.：凝膠聚合物電解質有效助陣Li-CO2電池

【引言】

近年來，與日俱增的化石燃料消耗導致了溫室氣體CO₂排放量的激增，進而加劇了全球變暖的趨勢。由此，采用CO₂作為工作氣體的新型Li-CO₂電池應運而生，獲得了極其廣泛的關注。該電池體系不僅對合理利用CO₂具有十分廣闊的應用前景，還能夠有效地儲能，這主要是因為電池中發生為： ，且具有1876Wh/Kg的高理論能量密度。隨后的相關研究工作表明：較差的電池循環性能和較低的電流密度制約Li-CO₂電池的發展。因此，提高Li-CO₂電池的循環性能和電池的電流密度是拓展其應用前景的關鍵。

【成果簡介】

近日，復旦大學夏永姚、王永剛（通訊作者）教授研發團隊在Angewandte Chemie International Edition上發表了題目為“A Rechargeable Li-CO2 Battery with a Gel Polymer Electrolyte”的研究成果。在該研究工作中，所用的電解質為凝膠聚合物（其中，電解質鹽為LiTFSI、溶劑為TEGDME、增塑劑為PVDF-HFP和光引發劑為HMPP/TMEPT），并以納米碳纖維管材料作為電池的氣體電極（正極）。另外，科研團隊以液相電解液電池（其電解質鹽/溶劑與凝膠聚合物電池的電解質/溶劑相同）作為對比實驗，對Li-CO₂聚合物凝膠電池進行了EIS、SEM、TEM、XRD、EDS和TG等全面的表征和系統的線性掃描伏安和充放電循環等電池性能測試。研究結果表明：在500mA/g的高電流密度下，電池性能穩定的循環次數可達60次。這主要是因為：不同于液相液電解液電池形成的致密的LiCO₃薄膜結構，凝膠聚合物電池在充放電循環過程中正極上形成的是低結晶度、無定形態LiCO₃結構，該多孔的結構不僅有利于CO₂的傳輸，而且降低了電池的過電壓，從而有效抑制充放電過程中副反應的發生，因而能夠有效提升電池的使用壽命和電流密度。

【圖文導讀】

圖1. 凝膠聚合物電解質（GPE）材料的性質表征

a）凝膠聚合物（GPE）照片（圖中比例尺為1cm）；

b）圖a中標注藍色區域的SEM圖（圖中比例尺為10 um）；

c) 圖b中標注藍色區域的SEM圖（圖中比例尺為2um）；

d) 室溫下不銹鋼片/聚合物電解質/不銹鋼片(SSS/electrolyte/SSS)對稱電池的EIS圖譜；

e)聚合物電池的線性掃描伏安（LSV）曲線（掃描速率1 mV/s）；

f)聚合物電池電解質的TG分析。

圖2. GPE體系和液相體系Li-CO₂電池的電化學性能測試

a）GPE體系電池的性能測試；

b）液相電解液體系電池的性能測試；

c）不同電流密度下，截止容量為1000mAh/g，GPE體系電池的充放電曲線（考察的電流密度為50、100、250和500mA/g）；

d）不同電流密度下，截止容量為1000mAh/g，液相電解液體系電池的充放電曲線（考察的電流密度為50、100和250 mA/g）；

e）和f) 截止容量為1000mA/g和電流密度100mA/g條件下，GPE體系和液相電解質體系Li-CO₂電池的循環性能曲線。

圖3. 兩種電解質體系Li-CO₂電池的CNTs正極材料在不同的充放電狀態下的形貌分析和成分表征

a)、b)和c)分別為GPE體系電池正極CNTs材料在使用前、多次放電后和充電后的SEM圖片（圖中比例尺為2 um）；

d)、e)和f)分別為液相電解液體系電池正極CNTs材料在使用前、多次放電后和充電后的SEM圖片（圖中比例尺為2 um）；

g) 兩種體系電池正極CNTs材料在電池分別使用前、多次充電后、多次放電后的XRD表征；

h) 兩種體系電池正極CNTs材料在電池分別使用前、多次充電后、多次放電后的FTIR圖譜；

圖4. 兩種電解質體系電池的電壓-時間曲線以及電池出口端的原位電化學質譜儀（DEMS）分析

a）500mA/g充電電流密度下，GPE體系電池電壓、電池出口端O₂和CO₂含量隨充電時間的變化；

b）500mA/g充電電流密度下，液相電解質體系電池電壓、電池出口端O₂和CO₂含量隨充電時間的變化；

【小結】

這項研究通過將凝膠聚合物電解質引入到Li-CO₂電池，使得電池正極材料在循環使用過程中生成了低結晶度的疏松多孔LiCO₃結構。與前人報道的Li-CO₂電池研究相較，該研究方法提高了電池的放電容量、充電速率，降低了電池的過電壓，進而延長了電池的使用壽命，并合理有效地利用CO₂儲能。但其充放循環電性能還不能與目前的相對成熟的Li-O₂電池相比。由此，研發出正極材料催化劑，并提高CO₂的傳輸以提高電池的性能顯得勢在必行。

文獻鏈接： A Rechargeable Li-CO₂ Battery with Gel Polymer Electrolyte. （Angew.Chem.Int.Ed.,2017,DOI: 10.1002/anie.201705017）

本文由材料人編輯部陳永修編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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