周敏教授，Small：非金属电子供体-受体对实现锂-二氧化碳电池稳定长循环- 大数跨境

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周敏教授，Small：非金属电子供体-受体对实现锂-二氧化碳电池稳定长循环

科学材料站

2024-04-22

导读：周敏教授，Small：非金属电子供体-受体对实现锂-二氧化碳电池稳定长循环

文章信息

非金属电子供体-受体对实现锂-二氧化碳电池稳定长循环

第一作者：刘智豪，翟兴吾，韦天琛

通讯作者：周敏*

单位：中国科学技术大学

研究背景

聚随着便携电子产品市场不断增长，人类对各种各样电化学能量存储装置的需求也逐步提高。Li-CO₂电池由于其高的理论能量密度（1876 Wh kg^-1）和利用温室气体CO₂进行能量存储和输出的特征，已经引起了广泛的关注。尽管最近取得了一些进展，但由于Li-CO₂电压极化严重、可逆性有限和寿命不足，从实验室规模过渡到实际应用仍然充满挑战。热力学稳定的放电产物Li₂CO₃具有电绝缘性，因此Li₂CO₃的分解深度和残留物的积累会逐渐破坏电池的可逆性和循环稳定性。与Li₂CO₃有关的反应机制，如成核、生长和分解，是Li-CO₂电池发展中亟待解决的问题。

研究者提出了各种理论模型来阐述Li₂CO₃的生长机制，如溶剂介导机制和表面吸附生长机制。溶剂介导的生长会导致Li₂CO₃与催化剂接触不良，从而增加了后续分解过程的复杂性。当Li₂CO₃生长转向表面吸附机制时，可能会产生薄而小的放电产物，其更容易在充电时分解，从而增强电池的可逆性。生长途径的选择取决于电解质的给电子能力以及放电产物和正极催化剂之间的结合能。在之前的研究中，普遍认为理想催化剂必须有效地满足催化剂对Li⁺和含碳中间体强吸附作用的要求。

文章简介

近日，来自中国科学技术大学的周敏教授在国际知名期刊上发表题为“Metal-Free Electron Donor-Acceptor Pair Enabled Long-Term Stability of Li-CO₂Battery”的观点文章。该观点文章分析了非金属供体-受体对在Li-CO₂电池中对Li₂CO₃成核生长的重要影响。

图1.用于Li-CO₂电池的供体-受体对的效果的示意图。

本文要点

要点一：

该研究提出了双功能无金属电子供体-受体对的概念，以实现优化的Li₂CO₃生长路径，从而实现可逆且稳定的Li-CO₂电池。这种电子供体-受体对因为它们的电负性存在很大差异，可以在供体和受体之间进行有效的电子转移。一方面，电子供体-受体位点的加入能够优化电子密度的再分配，从而促进高效的电子传输。另一方面，供体-受体对之间存在明显的极性相互作用，可以分别作为亲核和亲电位点。

要点二：

电子供体-受体对可以促进催化剂与关键的Li⁺、CO₂和各种中间产物之间在分子和电子水平上的相互作用。这种优化促进了产物生长模式由溶剂介导生长机制向表面吸附机制的转变，从而使Li₂CO₃生长更加均匀。此外，催化剂与Li₂CO₃相互作用的加强能改变Li₂CO₃结构对称性，并在充电过程中加强产物分解。

要点三：

基于含有供体-受体对正极的Li-CO₂电池在电流密度20 µA cm^-2，容量限制100 µAh cm^-2下可正常工作超过1300小时，能量效率为65.4%，电池最大容量也提高了2倍。相应的Li-CO₂电池在不同倍率、宽温度范围（20-50 ℃）和不同折叠角度（0-180°）下的优异电化学性能，证明了DO-AB对在多种实际应用场景中的能力。

文章链接

Metal-Free Electron Donor-Acceptor Pair Enabled Long-Term Stability of Li-CO₂Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400619

通讯作者简介

周敏教授简介：中国科学技术大学化学与材料科学学院与微尺度国家研究中心特任教授，博士生导师，2019年入选国家高层次人才计划青年项目加入中科大，在JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Comm等国际顶尖期刊上发表80余篇研究论文，被引超11000次，H因子为42。现为期刊J. Semi. 编委，Smart Mater青年编委。

课题组介绍

课题组主要研究方向聚焦“非晶态功能材料及其在储能领域的应用”，包括在功能材料结构单元的设计、组装、表征及其在金属-CO₂电池中的原位演化等。热忱欢迎优秀博士后或特任副研究员的加入，并提供优厚待遇与支持。详情请发邮件至mzchem@ustc.edu.cn联系咨询。