Small:利用太阳光改善锂二氧化碳电池的反应动力学

    近年来,锂二氧化碳(Li-CO2)电池作为一种绿色新型储能装置,可将温室气体二氧化碳转变为化学能储存为电能,能够同时应对全球变暖和能源危机这两个至关重要的问题。然而,由于二氧化碳还原和析出反应动力学缓慢,导致电池超高过电位,极大的阻碍了Li-CO2电池的发展与应用。大量的研究试图通过制备具有优异催化活性的电催化剂改善正极反应动力学,例如碳基材料,贵金属材料,过渡金属材料,MOFs和COFs等诸多催化剂被开发,取得了巨大的进展。但是Li-CO2电池仍然存在较高的极化和低的能量效率。同时这些催化剂由于高成本及复杂的制备过程等,无法实现大规模的生产与实际应用。因此,发展清洁、高效的新型策略来增强反应动力学,进而提升锂-二氧化碳电池综合性能,是十分必要的且具有很大的挑战。

吉林大学徐吉静教授课题组报道了一种利用可再生光促进柔性锂二氧化碳电池反应动力学的策略,利用高效的太阳能帮助分解放电产物并大大促进了电池的反应动力学。在此项工作中,研究者应用简单水热法在碳布上原位生长均匀的金红石相的二氧化钛(TiO2)阵列作为正极,通过相关测试研究了二氧化钛相对于Li+/Li电位的导价带位置,证明了其在光辅助电池中应用的可能性。在放电过程中,受光激发的电子从TiO2的导带向CO2分子转移,从而促进二氧化碳还原,有效地将电池的放电平台从2.69 V提升至2.82 V,已经超过了Li-CO2电池的平衡电势(2.80 V)。研究者利用电化学阻抗谱测试,计算了电池中锂离子扩散系数,结果表明出在光照下的数值要比没有光照的数值高出一个数量级,这为光照能够有效改善充放电程中的反应动力学提供了有力的证据。在充电过程中,利用光能将电池的充电电位从3.97 V降低至2.88 V,实现了97.9%的超高能量转换效率。研究者提出了充电平台大幅度降低的两个可能的原因:(1) 强氧化性的空穴分解放电产物的能力,降低了分解放电产物所需的高能量。(2) 在光照下正极的致密表面电子改变了放电产物的形态。结合在充放电过程中的实验结果,研究者利用形象的示意图详细地阐述了在充电过程中光生电子和空穴的流向,以及光生电子和空穴分别在降低电池放电和充电过程中的过电势中起到的关键作用。由于所制备正极具有又有的柔性,研究者进一步组装了袋式、电缆式锂二氧化碳电池,即使在不同的弯折角度下,在光照下的电池都展现出优异的电池性能,仍然可以在很小的电池极化下稳定运行。

研究者相信,此项研究不仅为光能在锂二氧化碳电池中的转化与存储提供了新途径,而且对从动力学角度研究光能作用于锂二氧化碳电池以及其他电池体系都具有指导意义。

论文信息:

A Renewable Light-Promoted Flexible Li-CO2 Battery with Ultrahigh Energy Efciency of 97.9%

Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Fei Li, Ma-Lin Li, Li-Jun Zheng, Ji-Jing Xu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100642

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100642