雷勇教授、邵国胜教授，Small综述：非水和混合Na-CO2电池的基本理解：挑战与展望

第一作者：徐昌藩

通讯作者：雷勇*，邵国胜*

单位：伊尔梅瑙工业大学，郑州大学

碱金属-二氧化碳电池，将二氧化碳回收利用与能量转换和储存结合起来，是解决能源危机和全球变暖的一个有前途的方法。不幸的是，这些电池的循环寿命有限，可逆性差，能源效率低，阻碍了其商业化。为了促进Na-CO₂电池的发展，有必要对Na-CO₂电池的化学和电化学有一个全面的了解。

基于此，本文回顾了非水Na-CO₂电池和混合Na-CO₂电池（包括涉及O₂的Na-O₂/CO₂电池）的最新进展，确定了各电池组件的主要问题和挑战。探讨了Na阳极的界面结构、电解质特性和阴极材料的设计策略，同时建立了电池构型、功能材料和综合性能间的关联。最后，展望了合理构建Na-CO₂电池材料的前景和方向。

基于此，来自伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授与郑州大学的邵国胜教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Fundamental Understanding of Nonaqueous and Hybrid Na–CO₂ Batteries: Challenges and Perspectives”的综述文章。该文详细地总结了与 Na-CO₂电池相关的反应机制、挑战、潜在解决方案和最新进展。

由可再生能源驱动的Na-CO₂电池系统，以及Na-CO₂电池发展简要时间表。

Na-CO₂电池主要功能是在阳极溶解/沉积金属钠，在阴极进行CO₂的电化学转化。目前主要研究的类型有：非水（有机、固态）和混合 Na-CO₂ 电池。非水系通常配备有机或固态电解质，具有高能量密度（1125 Wh/kg），其产物主要是碳酸盐和碳。混合系通过保护膜（NASICON）将金属钠与水系电解质分离来实现。混合Na-CO₂电池可以解决非水系统中不溶性和绝缘性碳酸盐产物相关的问题，而且根据质子耦合电子转移机制，在混合Na-CO₂电池中有可能将CO₂转化为各种增值化学燃料。

有机、固态和混合Na-CO₂电池的图示及其相应的性能。

要点二：关键挑战和解决策略

（1）大多数研究只是机械地或毫无疑问地提及非水Na-CO₂ 电池的反应机制，对于这些系统如何以可逆方式发挥作用，尚无合理的机制解释。对于混合Na-CO₂电池研究，需要阐明反应产物的类型，以充分确定是否存在含碳化学物质和 H₂ 释放，并考虑与 CO₂ 还原机制的质子耦合电荷转移相关的电荷过电势。目前对电池反应机制的理解仍然存在争议。

（2）金属钠阳极受到寄生反应，O₂、CO₂和H₂O等污染，以及枝晶生长的挑战，在Na-CO₂ 电池中已经提出一些策略，如人工界面工程，构筑无钠负极或含钠复合负极，使用固态或准固态电解质等。

（3）选择合适的电解质对于 Na-CO₂ 电池来说是一个具有挑战性的问题。文章重点讨论了非水系电解质、水系电解质、聚合物固体/准固体电解质，无机陶瓷固体电解质（NASICON）等在Na-CO₂电池中的进展和遇到的问题，以促进更好，更有效的Na-CO₂电解质设计。

（4）开发高效的 CO₂ 催化阴极，对于实现高活性和长期耐用性的Na-CO₂ 电池至关重要。文章从调节本征电子结构（例如，通过引入杂原子掺杂、缺陷、修改配位态、调节金属活性中心）和调节表观物理结构（例如，通过调节纳米结构、改变形态和自支撑结构设计）两方面讨论了如何构建高性能CO₂ 催化阴极。

Na-CO₂电池发展的主要挑战。

要点三：前瞻

Na-CO₂ 电池以其低成本、高能量密度和生态友好性而具有巨大的研究潜力。特别是，混合Na-CO₂ 电池是未来研究的一个潜在方向。考虑到 Na-CO₂ 电池的困境和进一步发展，分别从深入了解CRR/CER反应机制，构建结构和界面稳定的钠负极，不同功能电解质的设计与整合，CO₂阴极的合理设计等四个方面提出了未来设计高性能Na-CO₂ 电池的观点。

未来高性能 Na-CO₂ 电池研究的方向示意图。

Fundamental Understanding of Nonaqueous and Hybrid Na–CO₂ Batteries: Challenges and Perspectives

雷勇教授简介：2003-2006年作为洪堡学者在德国卡尔斯鲁厄理工大学工作，2006-2011年在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授，2011加入德国伊尔梅瑙工业大学担任教授、应用纳米物理研究团队负责人。主要从事模板多元及表面纳米结构化、功能纳米结构和表面纳米图案在能源器件（钠离子和钾离子电池）和光电器件的研究。

主持了欧盟和德国多项重大研究项目，包括欧洲研究委员会（ERC）、德国联邦教育及研究部（BMBF）、德国研究基金会（DFG）、德国大众基金会（VW-Stiftung）。目前担任杂志Advanced Energy Materials的Editorial Advisory Board Member，Energy & Environmental Materials的Associate Editor，Carbon Energy和InfoMat的Advisory Board Member。

1995年在英国Surrey大学获得博士学位，其后在该校担任研究员和高级研究员。2005年加入Brunel 大学担任副教授，2007年加入Bolton大学担任教授，稍后在该校创建了可再生能源和环境技术研究所（IREET）并担任所长。近年研究集中于先进能源与环保材料理论设计、制备、表征与应用成果推广，发表主流学术期刊论文300 余篇，获得授权国际/国家专利数十项。

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