Co单原子催化助力锂氯电池突破：高效LiCl/Cl₂转化实现长循环寿命

第一作者：李培才，马晨宇

通讯作者：李忠涛*, 孔德斌*

单位：中国石油大学（华东）

锂氯（Li-Cl₂）二次电池因其超过700 Wh/kg的能量密度和宽广的工作温度范围（-40°C至室温），被认为是极具潜力的高能量密度电源。然而，传统电极材料对氯气（Cl₂）的吸附能力弱，且锂氯化物（LiCl）的转化效率低，导致活性材料损失严重，限制了Li-Cl₂电池的循环稳定性。此外，Cl₂在电极表面的穿梭效应会导致副反应，进一步降低电池性能。因此，开发高效的催化剂以促进Cl₂与LiCl之间的可逆转化成为解决这一问题的关键。

基于此，中国石油大学（华东）的李忠涛教授课题组在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表题为“Co Single-Atom Catalysis for High-Efficiency LiCl/Cl₂ Conversion in Rechargeable Lithium-Chlorine Batteries”的研究论文。该研究通过设计一种钴（Co）单原子催化剂，成功解决了Li-Cl₂电池中Cl₂与LiCl转化效率低下的问题。该催化剂具有Co-N₄配位环境，能够显著降低LiCl转化为Cl₂的能量障碍，同时增强Cl₂的化学吸附能力，从而实现高效的Cl₂/LiCl转化。这一成果为高性能、宽温度范围适用的Li-Cl₂电池提供了新的设计思路。

图1 催化机理和材料表征。

图2 以Co-NC和NC为阴极的Li/Cl₂电池的电化学性能。

图3 阴极LiCl的电镀和剥离机制分析。

图4 Co-NC和NC在充放电过程中的理论研究和机理探索。

图5 以Co-NC为正极的Li/Cl₂电池在超低温（-40 ℃）下的循环特性和袋装电池性能。

研究人员通过高温煅烧法合成了具有Co-N₄配位环境的Co单原子催化剂，并将其负载在氮掺杂碳（NC）载体上。X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAFS）表征确认了Co单原子的配位结构。这种结构不仅优化了电子转移能力，还显著增强了Cl₂的化学吸附能力。

要点二：电化学性能的显著提升

实验结果表明，基于Co-NC催化剂的Li-Cl₂电池在室温下1500 mA/g的高电流密度下可实现超过600次循环；在-40°C的极低温条件下，电池也能保持650次循环的稳定性。此外，Co-NC电池在高电流密度下的极化电压降低了0.6 V，显示出优异的电化学性能。

要点三：机理探究

通过原位X射线衍射（XRD）、原位拉曼光谱和XPS等技术，研究人员揭示了Co单原子催化剂在充放电过程中对LiCl沉积和Cl₂释放的促进作用。Co单原子通过增强Cl₂吸附和促进LiCl均匀成核，有效解决了传统Li-Cl₂电池中Cl₂穿梭和LiCl沉积不均匀的问题。

要点四：理论计算支持

密度泛函理论（DFT）计算进一步验证了Co-N₄结构对Cl₂吸附和LiCl氧化还原反应的催化机制。Co-NC催化剂的低能量障碍和高吸附能力为高效Cl₂/LiCl转化提供了理论支持。

要点五：宽温度范围的稳定性

该研究不仅在室温下展示了优异的性能，还在-40°C的极低温条件下实现了稳定的循环。这表明Co-NC催化剂显著提高了Li-Cl₂电池在极端温度条件下的适应性，为特殊环境下的能源存储提供了新的解决方案。

Co Single-Atom Catalysis for High-Efficiency LiCl/Cl₂ Conversion in Rechargeable Lithium-Chlorine Batteries.

 DOI: 10.1002/adma.202418990.

李忠涛，中国石油大学（华东）化学工程学院教授，博士生导师，获山东省“杰出青年”基金、“泰山学者”青年专家等称号，成果获省技术发明一等奖等省部级奖励5项。主要从事新能源、催化等相关领域的聚合物材料及复合材料方向研究，在Nature Commination, Agew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., ACS Nano等期刊发表SCI论文九十余篇，授权发明专利三十余项，拥有固态电池膜组，离子液体催化等核心技术，并已实施专业化转化。作为负责人承担科技部战略性专项、国家自然基金等项目二十余项。研究成果已应用于特种电源、工业催化等领域，创造了显著的社会经济效益。