Advanced Functional Materials:协同策略构建高效稳定的K-CO2电池

金属离子电池凭借环境友好,能量密度高的特性,受到广泛关注,但与汽油等传统的化石能源相比,其能量密度远不及理想效果,寻求更高功率密度和更大能量密度的储能体系,是能源发展的目标与方向。近年来,金属-二氧化碳(M-CO2)电池逐渐进入我们的视野,电池因直接利用CO2气体作为反应物质,其理论比能量与汽油的比能量相近,比传统电池的能量密度高出几个数量级。此外,CO2的资源化转化与利用是实现碳减排和碳中和的一种有效途径。

然而,目前关于M-CO2电池的研究多集中于Li/Na-CO2,K-CO2的报道甚少,且本课题组研究初期发现,组装的K-CO2电池的电化学性能极不稳定且全放电容量低,在运行过程中易出现短路、坏死的现象,负极金属钾的稳定性不容忽视,构建高性能且持续稳定的K-CO2电池成为研究的重点。

针对上述问题,电子科技大学王斌与中国工程物理研究院程建丽合作,对活泼金属钾进行预保护,在其表面构建连续致密的固体电解质界面膜,抑制电解液与钾电极因接触而发生的副反应;同时以本课题组制备的高效稳定催化剂(氮掺杂碳纳米管,NCNT)为正极,确保K-CO2电池运行环境的稳定性,延长循环寿命。氮掺杂碳纳米管兼顾了催化位点的数量及质量,可加速反应动力学过程,提高产物热力学稳定性,是助力K-CO2电池过程产物的可逆生成-分解,提高K-CO2电池放电容量。另一方面,利用现有的表征手段分析探索K-CO2电池运行过程中催化剂活性位点变化,电极材料的形貌变化,及产物的实时追踪与分析,探索其反应机制和工作原理。这对实现深层次,全方面新能源体系的发展具有一定的意义。

图1:负极金属K的原位电化学制备过程示意图和SEM图。证明在K表面形成了连续致密的固体电解质界面膜。
图2:氮掺杂碳纳米管正极的SEM及TEM表征图,引入了N-C的催化位点。
图3:基于SEI-K负极和NCNT催化剂正极的K-CO2电池的电化学性能,包括全放电容量,倍率性能及在不同电流密度下的循环性能。K电极经保护后,K-CO2电池的电化学性能得到明显提升。
图4:NCNT催化剂在K-CO2电池中的催化机理研究。(a-f) SEM及TEM证实充放电过程中絮状放电产物在NCNT表面可逆的生成和分解;(g-l) XPS检测到放电产物中含有K2CO3同时表征NCNT催化位点的变化;(m, n) Raman及XRD显示不同充放电深度下,产物K2CO3的堆积和分解情况,说明其生成与分解的可行性;DEMS表明K-CO2电池充-放电过程中仅有CO2气体产生,遵循4e/3CO2 反应路径,过程基本可逆,即4K++3CO2 +4e⇌2K2CO3+C。

课题组网页链接: https://www.x-mol.com/groups/binwanglbl

论文信息:

Artificial Solid-Electrolyte Interphase and Bamboo-like N-doped Carbon Nanotube Enabled Highly Rechargeable K-CO2 Batteries

Xuelian Li, Guicai Qi, Junxiang Zhang, Jianli Cheng, Bin Wang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105029

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105029