郭再萍院士&张文超团队，最新Nature Communications！|催化剂|张文超|电荷|电解质|组分|郭再萍|院士

第一作者：Fangli Zhang

通讯作者：郭再萍院士、张文超教授

通讯单位：阿德莱德大学、中南大学

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47629-2.

研究背景

可充电锂-二氧化碳（Li-CO2）电池被认为是先进储能装置和CO2固定的潜在候选者，其具有较高的放电电位和理论比能量密度。由于CO2还原/析出反应（CRR/CER）动力学缓慢，且Li-CO2电池的电荷转移能力差，通常会导致Li2CO3残留物的积累和高电荷电位，从而使电解液快速降解，最终导致电池可循环性的恶化。科研人员认为固体-电解质界面（SEI）层中的有机成分具有多孔结构，导致SEI厚度增加，加剧了Li+离子在界面处的不均匀扩散。然而，对有机SEI组分（如C-N、C-F、C-S等）的详细反应机理及其催化作用的研究很少，特别是与CRR/CER的关系。此外，如何从根本上理解有机SEI组分在决定碳酸锂（Li2CO3）的反应动力学和可逆性以及最终控制电池性能方面的关键作用，一直是一个谜。基于此，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士和中南大学张文超教授等人报道了对SEI层中有机成分的基础研究，以破解与它们在Li-CO2电池中电化学性能相关的谜团。为更好地探索和检测SEI组分的催化效果，作者将催化性能较差的还原氧化石墨烯（rGO）作为正极的基体。

文章要点

1、在几种传统的单盐基电解质中，即使SEI层中的LiF含量低于双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）基电解质，但SEI层中含有较高C-N的双(氟磺酰)亚胺锂（LiFSI）基电解质中的电池也可以提供相对较长的循环寿命。循环正极的表征证实了C-N物种的含量与Li2CO3的可逆性密切相关，这是决定电池循环的关键。第一性原理计算结果表明，界面处的C-N物种可为*CO22-和Li2CO3提供较强的吸附位点和快速电荷转移能力，从而增强界面催化性能，加速CRR/CER动力学。

2、在CRR中，C-N与*CO22-间自发进行电荷转移，促使*CO22-与C2O42-快速反应生成CO32-，从而促进Li2CO3的形成。在CER中，Li2CO3中的Li原子与C-N物种的界面N位点之间的强相互作用使得Li2CO3中的快速电荷向C-N物种转移，显著削弱了Li2CO3中的Li-O键，降低其分解能垒。当与钌（Ru）催化剂配对时，Li-CO2电池也遵循上述相同的趋势，表明在金属催化剂的参与下，C-N物种对电池循环的积极影响也适用。

3、通过增加C-N物种的含量进一步改善电池循环，在双盐（LiNO3/LiFSI）基电解质中构建富含C-N的SEI层。使用该SEI层的电池，在0.25 M LiNO3/0.75 M LiFSI电解质中，在无金属的rGO催化剂下可以实现超过1500 h的长期稳定循环，在Ru催化剂下可以实现超过2200 h的长期稳定循环。本发现为解决Li-CO2电池的瓶颈问题开辟了一条途径，并为指导未来电池的电解质设计提供了一种设计原则。

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