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[转载]天津大学胡文彬&丁佳Carbon Energy:全面概述碱金属-二氧化碳电池的电化学机理

已有 938 次阅读 2023-2-7 21:01 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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A comprehensive overview of the electrochemical mechanisms in emerging alkali metal–carbon dioxide batteries

Jiangfeng Lin, Wanqing Song, Caixia Xiao, Jingnan Ding, Zechuan Huang, Cheng Zhong, Jia Ding*, Wenbin Hu*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.313


研究背景

世界经济的加速发展推动了对各类能源的庞大需求,化石能源的持续消耗导致大量CO2排放,为了缓解由此产生的气候变化和温室效应,许多国家和地区都制定了相关的政策来限制CO2的排放。同时,开发高效、清洁的电池系统也成为当前研究的首要任务之一。在锂离子电池能量密度较低、锂-空气电池工作环境受限的情况下,锂-CO2电池以1876 Wh/kg的超高理论能量密度脱颖而出,并衍生出以Na、K等碱金属作为负极的CO2电池体系。受制于放电产物的缓慢分解,锂-CO2电池往往面临着充电电位较高、动力学缓慢、电解质分解、放电产物堆积等问题,并最终导致电池容量衰减和快速失效。目前的研究工作主要集中于开发高活性电催化剂以加速CO2还原反应(CO2RR)和析出反应(CO2ER),但对碱金属-CO2电池的基本电化学机制的深入研究十分匮乏,对CO2RR/ER的催化剂、碱金属负极和电解质的设计和优化提供的指导有限。因此,对现有研究进行全面总结,对碱金属-CO2电池的电化学机理进行深入比较和分析是很有必要的。


主要内容

近日,天津大学胡文彬教授、丁佳教授团队以剖析碱金属-二氧化碳电池的电化学机理为中心,全面、系统地讨论了正极与负极的关键工作机理、液态和(准)固态电解质的运行机制。文章首先归纳和总结了目前应用于碱金属-CO2电池的CO2RR/ER催化剂及其分类,提出了对热力学反应路径、动力学特征以及决定碱金属-CO2电池反应机理的关键因素的见解,包括充放电过程中所涉及的正极中CO2按照不同路径发生还原与析出过程、负极中碱金属可逆的电镀/剥离过程、电解质的组分设计及作用机理等内容。基于现有的研究成果及思路,提炼了目前碱金属-CO2电池中亟待解决的问题,展望了未来研究的广阔前景。

文章以“A comprehensive overview of the electrochemical mechanisms in emerging alkali metal–carbon dioxide batteries”为题发表在Carbon Energy上。

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本文亮点

要点1:

由于碱金属-CO2电池受到CO2还原动力学差和放电产物的电化学分解困难的影响,催化剂材料在碱金属-CO2电池中的应用是不可或缺的。我们对目前报道中用于碱金属-CO2电池的CO2RR/ER催化剂进行了总结、分类,主要包括碳材料、过渡金属材料、过渡合金化合物材料、金属单原子材料和贵金属/合金材料等。


要点2:

我们从充、放电过程中CO2正极的不同反应路径及产物、碱金属负极的电镀/剥离的角度分别阐释了碱金属-CO2电池的正极与负极的工作机理。此外,我们还对碱金属-CO2电池中使用的电解质(包括液态及(准)固态电解质)的化学组成、本征特性和设计策略进行了全面的总结。


要点3:

根据目前的研究现状,我们提炼了目前碱金属-CO2电池中亟待解决的问题;同时,碱金属-CO2电池在原位监测、机理探索、组分优化、催化剂设计等方面仍然具有广阔的研究前景。


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相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文

论文标题:

A comprehensive overview of the electrochemical mechanisms in emerging alkali metal–carbon dioxide batteries

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.313

DOI:10.1002/cey2.313



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