复旦大学Angew. Chem. Int. Ed.：凝胶聚合物电解质有效助阵Li-CO2电池

【引言】

近年来，与日俱增的化石燃料消耗导致了温室气体CO₂排放量的激增，进而加剧了全球变暖的趋势。由此，采用CO₂作为工作气体的新型Li-CO₂电池应运而生，获得了极其广泛的关注。该电池体系不仅对合理利用CO₂具有十分广阔的应用前景，还能够有效地储能，这主要是因为电池中发生为： ，且具有1876Wh/Kg的高理论能量密度。随后的相关研究工作表明：较差的电池循环性能和较低的电流密度制约Li-CO₂电池的发展。因此，提高Li-CO₂电池的循环性能和电池的电流密度是拓展其应用前景的关键。

【成果简介】

近日，复旦大学夏永姚、王永刚（通讯作者）教授研发团队在Angewandte Chemie International Edition上发表了题目为“A Rechargeable Li-CO2 Battery with a Gel Polymer Electrolyte”的研究成果。在该研究工作中，所用的电解质为凝胶聚合物（其中，电解质盐为LiTFSI、溶剂为TEGDME、增塑剂为PVDF-HFP和光引发剂为HMPP/TMEPT），并以纳米碳纤维管材料作为电池的气体电极（正极）。另外，科研团队以液相电解液电池（其电解质盐/溶剂与凝胶聚合物电池的电解质/溶剂相同）作为对比实验，对Li-CO₂聚合物凝胶电池进行了EIS、SEM、TEM、XRD、EDS和TG等全面的表征和系统的线性扫描伏安和充放电循环等电池性能测试。研究结果表明：在500mA/g的高电流密度下，电池性能稳定的循环次数可达60次。这主要是因为：不同于液相液电解液电池形成的致密的LiCO₃薄膜结构，凝胶聚合物电池在充放电循环过程中正极上形成的是低结晶度、无定形态LiCO₃结构，该多孔的结构不仅有利于CO₂的传输，而且降低了电池的过电压，从而有效抑制充放电过程中副反应的发生，因而能够有效提升电池的使用寿命和电流密度。

【图文导读】

图1. 凝胶聚合物电解质（GPE）材料的性质表征

a）凝胶聚合物（GPE）照片（图中比例尺为1cm）；

b）图a中标注蓝色区域的SEM图（图中比例尺为10 um）；

c) 图b中标注蓝色区域的SEM图（图中比例尺为2um）；

d) 室温下不锈钢片/聚合物电解质/不锈钢片(SSS/electrolyte/SSS)对称电池的EIS图谱；

e)聚合物电池的线性扫描伏安（LSV）曲线（扫描速率1 mV/s）；

f)聚合物电池电解质的TG分析。

图2. GPE体系和液相体系Li-CO₂电池的电化学性能测试

a）GPE体系电池的性能测试；

b）液相电解液体系电池的性能测试；

c）不同电流密度下，截止容量为1000mAh/g，GPE体系电池的充放电曲线（考察的电流密度为50、100、250和500mA/g）；

d）不同电流密度下，截止容量为1000mAh/g，液相电解液体系电池的充放电曲线（考察的电流密度为50、100和250 mA/g）；

e）和f) 截止容量为1000mA/g和电流密度100mA/g条件下，GPE体系和液相电解质体系Li-CO₂电池的循环性能曲线。

图3. 两种电解质体系Li-CO₂电池的CNTs正极材料在不同的充放电状态下的形貌分析和成分表征

a)、b)和c)分别为GPE体系电池正极CNTs材料在使用前、多次放电后和充电后的SEM图片（图中比例尺为2 um）；

d)、e)和f)分别为液相电解液体系电池正极CNTs材料在使用前、多次放电后和充电后的SEM图片（图中比例尺为2 um）；

g) 两种体系电池正极CNTs材料在电池分别使用前、多次充电后、多次放电后的XRD表征；

h) 两种体系电池正极CNTs材料在电池分别使用前、多次充电后、多次放电后的FTIR图谱；

图4. 两种电解质体系电池的电压-时间曲线以及电池出口端的原位电化学质谱仪（DEMS）分析

a）500mA/g充电电流密度下，GPE体系电池电压、电池出口端O₂和CO₂含量随充电时间的变化；

b）500mA/g充电电流密度下，液相电解质体系电池电压、电池出口端O₂和CO₂含量随充电时间的变化；

【小结】

这项研究通过将凝胶聚合物电解质引入到Li-CO₂电池，使得电池正极材料在循环使用过程中生成了低结晶度的疏松多孔LiCO₃结构。与前人报道的Li-CO₂电池研究相较，该研究方法提高了电池的放电容量、充电速率，降低了电池的过电压，进而延长了电池的使用寿命，并合理有效地利用CO₂储能。但其充放循环电性能还不能与目前的相对成熟的Li-O₂电池相比。由此，研发出正极材料催化剂，并提高CO₂的传输以提高电池的性能显得势在必行。

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

本文由材料人编辑部陈永修编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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