Angew. Chem. Int. Ed.：无液体电解质柔性Li-CO2 电池

【引言】

CO₂等温室气体的大量排放是引起全球变暖的主要原因。在CO₂的循环利用方面，Li-CO₂电池由于其具备能量密度高、环境友好等优点，因而应用前景异常广阔。目前所报道的Li-CO₂电池均使用液体电解质，存在电解质泄漏的风险，而且还缺乏适合的电极结构，因而满足不了可穿戴电子设备对安全性和柔性的需求。在Li-CO₂电池领域，无液体电解质的研发对具有高能量密度的全固态Li-CO₂电池而言是重中之重。

【成果简介】

近日，南开大学的陈军教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题为“Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte”的文章，报道了一种无液体电解质的柔性Li-CO₂电池，采用聚甲基丙烯酸酯(PMA)/聚乙二醇(PEG)-LiClO₄-3 wt% SiO₂复合聚合物电解质(CPE)和多层碳纳米管(CNTs)结构阴极。该电池结构稳定，界面电阻较小，100次充放电循环后，其比容量依然保持为1000 mAhg^-1。此外，研究人员对尺寸为5*16 cm²的组装电池进行了电化学性能测试，在不同弯曲程度(0-360^o)下，该电池性能优异，充发电容量可达993.3 mA·h，能量密度高达521 Wh˙kg^-1，工作时间长达220 h。

【图文导读】

图1 全固态Li-CO₂电池的结构示意图及形貌表征

(a) Li-CO₂电池结构示意图：锂箔作为负极，CPE@CNTs作为正极；

(b) Li/CPE@CNTs 的SEM图像；

(c,d) 图(b)对应结构的EDX表征：元素分布图；

(e) CNTs的SEM图像；

(f) CNTs的HRTEM图像，晶格间距为0.34 nm；

(g) CPE@CNTs界面的SEM图像；

(h,i) 两种不同电解质电池的泄露测试：CPE和1_M LiClO₄/TEGDME 溶液，(h)为测试前，(i)为测试后。

图2 CPE电解质的形貌表征

(a) CPE的分子结构式；

(b, c) CPE溶液、CNTs阴极上的CPE膜；

(d) 纳米SiO₂填充料的尺寸分布及SiO₂的HRTEM图像；

(e) 55^oC下填充料的含量对CPE的Li离子传导性的影响曲线；

(f) CPE的¹H NMR光谱图；

(g, h) CPE薄膜的SEM图像：(g)顶视图、(h)侧视图；

(i) CPE的杨氏模量表征；

(j) CPE表面的三维AFM图像。

图3 在2.5mA下，Li-CO₂电池的弯曲和扭转性能测试

(a,b) 无弯曲、扭转状态下，该电池的循环测试图；

(c,d) 弯曲180^o状态下，该电池的循环测试图；

(e,f) 扭转180^o状态下，该电池的循环测试图。

图4 放电产物分析

(a) 原位拉曼测试装置的设计；

(b)原位拉曼装置的光学显微谱图，测试条件：物镜放大倍数为50倍、目镜放大倍数为10倍；

(c) 在50 mAg^-1下的充放电过程， 16个不同状态及其对应的原位拉曼光谱；

(d)充放电前后CPE@CNTs正极的XRD图谱；

(e) 充放电循环测试后，电池组成结构的SEM图像；

(f) 电化学测试完成后，粘附在一起的正负极电子照片，Li正极附着在CPE@CNTs正极之上。

【小结】

本文报道了一种全固态Li-CO₂电池，该电池采用Li/PMA/PEG -LiClO₄- 3wt% SiO₂@CNTs 作为电解质-正极结构，具备比容量高、能量密度大和运行时间长等优点。此项成果对于研究更高能量密度的Li-CO₂电池，提高电池的安全性以及柔性具有非常重要的意义。

文献链接：Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte（Angew. Chem. Int. Ed.，2017, DOI:10.1002/anie.201701928）

本文由材料人编辑部锁晓静编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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