南京大学周豪慎&何平EES：用钌（Ru）纳米颗粒作为正极催化剂的可逆Li-CO2电池

【背景介绍】

随着矿石资源的短缺，近年来人们对新能源储存系统的需求急剧增加。锂离子电池虽然是目前最先进的电化学储能系统，但是它无法满足诸如电动车辆和绿色能源储存等应用中的能量存储要求。因此，可充电锂空气电池由于其比容量高而引起广泛关注，但是到目前为止很多锂空气电池都是在纯氧的环境下工作的。近期，Li–CO₂电池由于其高能量密度吸引了众多学者，然而，目前的Li-CO₂电池仍然存在诸如低库仑效率和高电位等问题，因此仍然需要大量工作来优化Li-CO₂电池的电化学性能。

【成果简介】

近日，来自南京大学的周豪慎教授和何平副教授（共同通讯）等人使用溶剂热合成法将钌（Ru）纳米颗粒沉积在Super P上，所得材料Ru @ Super P用作Li-CO₂电池中的正极。用Ru @ Super P作为正极的Li-CO₂电池表现出明显降低的电荷电势，并且可以在100mA g^-1下以1000mA h g^-1的固定容量循环80次，这是迄今为止报道的Li-CO₂电池所达到的最佳的循环稳定性。

【图文导读】

图1 用Ru @ Super P作为阴极材料的Li-CO₂电池示意图

在放电过程中，Li离子和电子转移到正极并与CO₂结合，在多孔碳电极表面形成Li₂CO₃。在充电时，Li₂CO₃分解为Li离子和二氧化碳

图2 Ru @ Super P催化剂材料的表征

a）XRD图表

b）钌纳米颗粒的TEM图像和SAED图

图3具有LiCF₃SO₃-TEGDME作为电解质的Super P和Ru @ Super P电极的阳极LSV曲线

a）在0-5.2 V的电位范围内的LSV曲线

b）放大的Super P和Ru @ Super P的LSV曲线，扫速为10 mV s^-1

图4 用Super P和Ru @ Super P作为正极的Li-CO₂电池在LiCF₃SO₃-TEGDME中以100mA g^-1的电流密度表征

a）放电再充电电池容量和电位的关系曲线

b）放电前，放电后和再充电后的Ru @ Super P电极的XRD图表

c）放电前Ru @ Super P电极的SEM图像

d）放电后Ru @ Super P电极的SEM图像。

图5 Ru @ Super P在LiCF₃SO₃-TEGDME中的循环稳定性

分别在（a）100 mA g⁻¹, (b) 200 mA g⁻¹ ，(c) 300 mA g⁻¹密度下的循环稳定性

分别在(d) 100 mA g⁻¹, (e) 200 mA g⁻¹ ，(f) 300 mA g⁻¹密度下Ru @ Super P电极首次放电后放电产物的SEM图像

图6 在100 mA g^-1下不同充放电循环次数后正极的XPS光谱

a）首次放电之后

b）首次再充电后

c）经过10小时放电后

d）经过10小时再充电后

图7 在电流密度为50 mA g^-1的Ru @ Ni泡沫电极上放电产物的表征

a）放电前后电极的拉曼光谱

b）原始电极的SEM图像

c）放电电极的SEM图像

图8 Li-CO₂电池充电过程的反应机理示意图

a）没有Ru催化剂时的Li-CO₂电池的充电过程的反应机理

b）Li-CO₂电池与Ru催化剂的充电机理的可能性研究

c）Li-CO₂电池的放电过程

图9 使用LiCF₃SO₃-TEGDME在二氧化碳中放电和再充电期间使用和不使用Ru催化剂的电极的原位SERS表征

a）使用LiCF₃SO₃-TEGDME作为电解质

b）使用LiCF₃SO₃-TEGDME时电极不含Ru催化剂

c）使用LiCF₃SO₃-TEGDME时电极含有Ru催化剂

图10 在增强的电流密度下Ru @ Super P作为正极的Li-CO2电池的充电过程原位GC-MS表征

a）Li-CO₂电池的充电曲线

b）CO₂和碎片-58（电解质溶剂的分解产物之一）的演变曲线，灰色虚线表示电解质开始分解，其与充电曲线相交于电位值4.4V的位置

【总结】

Li-CO₂电池的放电容量为8229mAh g^-1，在完全放电-再充电试验的第一个循环中显示出库仑效率为86.2％。通过XRD和拉曼光谱证实了Li2CO₃和碳是主要的放电产物。在电流密度为100,200和300mA g^-1时，电池能够放电并充电循环超过70次，表明Ru @ Super P最为阴极具有优异的循环稳定性。

文献链接：A reversible lithium–CO2 battery with Ru nanoparticles as a cathode catalyst（Energ. Environ. Sci.,2017,DOI:  10.1039/ C6EE03770D）

本文由材料人新能源组李伦供稿，材料牛整理编辑。

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