上海交通大学陈接胜教授/王开学教授最新JACS：新型催化剂提升Li-CO2电池循环效率及稳定性

第一作者：郝茜倩

通讯作者：王开学*，陈接胜*

单位：上海交通大学

Li-CO₂电池因其具备高理论能量密度（1876 Wh/kg）和在火星探测等极端环境中具有潜在应用价值而引起广泛关注。然而，这种电池在实际应用中面临着严重的挑战，如高充电电位和短循环寿命。这些问题主要归因于电池中CO₂还原反应（CO₂RR）和CO₂演化反应（CO₂ER）的缓慢动力学和较差的反应可逆性。传统固态催化剂易受沉积产物的覆盖，导致活性下降，而均相催化剂则因其原子级活性位点能够避免这一问题，展现出巨大的潜力。在该研究中，研究者采用了第三代Grubbs催化剂（G-III），其在烯烃复分解反应中的高效性能为提升Li-CO₂电池的性能提供了新的契机。

该研究展示了一种创新性的均相催化策略，通过引入第三代Grubbs催化剂（G-III），有效提升了Li-CO₂电池的电化学性能。研究表明，采用G-III催化剂的Li-CO₂电池，在300 mA/g电流密度下展现了低至0.86 V的过电位，循环寿命达到1300小时。即使在高达2000 mA/g的电流密度下，电池仍能够稳定运行300次循环，初始过电位为1.11 V。研究还揭示了充放电过程中的中间产物锂草酸盐（Li₂C₂O₄）的形成和分解机理，表明该催化剂在促进电池反应的可逆性和降低过电位方面具有显著优势。

Li-CO₂电池中的主要反应包括CO₂还原和CO₂演化，而这些反应因反应界面复杂、产物沉积等问题导致动力学迟缓。为了克服这一挑战，研究团队采用了第三代Grubbs催化剂（G-III）作为均相催化剂，能够有效促进CO₂的还原和锂碳酸盐的分解反应。相比于传统的固态催化剂，均相催化剂能够在电解液中均匀分布，避免了沉积物对活性位点的遮蔽，从而显著提高了反应的速率。

采用G-III的Li-CO₂电池在300 mA/g电流密度下展现了低至0.86 V的过电位，并在1300小时内保持了稳定的循环性能。这一表现大幅优于传统的Li-CO₂电池，其充电过电位通常高达1.58 V。通过使用G-III催化剂，研究团队成功将过电位降低了45%，这不仅提升了电池的能效，也减少了副反应的发生，从而延长了电池的使用寿命。

该研究还揭示了Li₂C₂O₄作为中间产物在电池充放电过程中的重要作用。在放电过程中，CO₂首先还原形成Li₂C₂O₄，而后进一步转化为锂碳酸盐和碳。这一两步反应路径的发现为Li-CO₂电池的反应机理提供了新的见解，并有助于改善电池的反应可逆性。同时，在充电过程中，Li₂C₂O₄的分解有助于降低充电电位，进一步提升电池性能。

在更高的2000 mA/g电流密度下，采用G-III催化剂的电池仍能稳定循环300次，初始过电位仅为1.11 V。相比之下，传统Li-CO₂电池在高电流下易出现电解质分解、催化剂失活等问题，循环寿命较短。G-III催化剂的高效性不仅在低电流密度下表现优异，在高电流密度下也表现出卓越的催化性能，这为未来高功率Li-CO₂电池的设计提供了新的方向。

该研究证明了基于烯烃复分解反应的催化剂可以有效提升Li-CO₂电池的电化学性能。这一新策略为未来开发高效、长寿命的Li-CO₂电池提供了理论依据和实践路径。通过进一步优化催化剂结构和反应条件，有望实现更低的充电电位和更长的电池寿命，从而推动Li-CO₂电池的商业化应用。

该研究展示了均相催化剂在Li-CO₂电池中的巨大潜力，特别是在提升电池效率和循环寿命方面的显著效果。未来的研究可以进一步探索其他类型的均相催化剂以及其与不同电解质体系的相互作用，从而进一步优化Li-CO₂电池的性能。通过不断提升电池的稳定性和能效，Li-CO₂电池有望在火星探测和其他特殊应用中发挥重要作用。

Boosting the Efficiency and Stability of Li–CO₂ Batteries via a Ruthenium-Based Olefin-Metathesis Catalyst

王开学教授简介：上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师，主持了国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划项目、上海市曙光学者、教育部留学回国人员科研启动基金、上海市浦江人才计划项目、国家重点实验室开放基金；参加了973计划项目、教育部创新团队发展计划项目。研究方向：无机功能材料的合成及纳米复合体系的构筑；锂离子电池和新型储能器件关键电极材料的制备与性能研究。

陈接胜教授简介：上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，英国皇家化学学会会士。担任Frontiers in Colloidal Materials and Interfaces期刊的专业主编，Journal of Materials Chemistry A, Science China Materials, CurrentOrganic Chemistry等期刊的国际顾问编委。合成了数十种新型骨架化合物，发展了多种主客体组装手段，制备了一系列新颖的无机复合体系，探索新型固体在催化和能源方面的应用。先后主持承担了国家杰出青年基金，国家自然科学基金委重点基金项目、重大研究计划培育基金项目，国家重点基础研究计划（973）课题项目和国际合作项目等的研究任务。