Angew. Chem. Int. Ed.：硼、氮共掺多孔石墨烯正极实现Li-CO2电池高效可充电

【引言】

在过去二十年里，锂离子电池占领了便携式电子市场，然而，目前的锂离子电池能量密度非常有限。为了满足长距离电动汽车严格的能量密度要求，金属空气电池，特别是锂空电池(例如，Li-O₂电池理论能量密度约为3500Wh  kg⁻¹)引起了极大关注。Li(Na)-CO₂电池使用温室气体二氧化碳作为正极的活性物质，提供了二氧化碳捕获的新方法，代表了下一代电化学储能系统的发展。然而，二氧化碳与锂负极的电化学反应可能导致绝缘Li₂CO₃的不可逆形成，使得电池难以再次充电，即使可以充电也表现出有限的循环性能，具有极大的极化性和较差的倍率性能。所以开发二氧化碳氧化还原反应的高效催化剂并研究Li-CO₂电池的电化学行为至关重要。

【成果简介】

近日，美国凯斯西储大学的戴黎明教授和美国宇航局兰利研究中心的Yi Lin博士、John W Connell博士(共同通讯作者)等人在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了一篇名为“Highly Rechargeable Lithium-CO₂Batteries with a Boron and Nitrogen-Codoped Holey-Graphene Cathode”的文章，研究人员利用B、N共掺多孔石墨烯作为二氧化碳还原和氧化反应的高效催化剂，获得了高可逆性的可充电Li-CO₂电池。因为独特的多孔纳米结构和正极的高催化活性，所制备的Li-CO₂电池在1.0A g^-1的高电流密度下仍然具有高可逆性，低极化性，优异的倍率性能和长期循环稳定性。

【图文导读】

图1具有BN-hG正极的Li-CO₂电池的电化学过程示意图和BN-hG的形貌结构分析

a) 具有BN-hG正极的Li-CO₂电池示意图；

b) BN-hG正极上相应的CO₂还原和氧化反应；

c) BN-hG的SEM图像；

d) hG和BN-hG的N₂吸附-解吸等温线和孔径分布(PSD，插图)；

e) hG和BN-hG的分析XPS光谱；

f-g) N1s和BN-hG的高分辨率光谱。

图2 hG和BN-hG电极对CO₂还原和氧化反应催化活性的表征

a) 在电压为0〜4.5V，电流密度为0.3Ag^-1的情况下，具有hG和BN-hG正极的Li-CO₂电池的全放电/充电曲线；

b) 首次放电后hG和BN-hG电极的XRD图。

图3 BN-hG电极对CO₂还原和氧化过程的可逆性表征

a-b) 完全放电(放电至2.0V)BN-hG电极的TEM图和相应选区电子衍射(SAED)图；

c) 完全再充电(再充电至5V)BN-hG电极的TEM图像；

d) BN-hG电极的XRD图；

e) 具有BN-hG电极的Li-CO₂电池的原始、完全放电和完全充电状态的阻抗谱。

图4 具有hG和BN-hG正极的Li-CO₂电池的电化学性能表征

a) 具有BN-hG正极的Li-CO₂电池在不同电流密度下的放电/充电曲线((b)中倍率测试的第2、5、8、11、14和17周期)；

b) 放电终止电压；

c) 极化；

d) 具有hG和BN-hG正极的Li-CO₂电池的长期循环性能，前两个循环的密度为1A g^-1，后续循环为1.0A g^-1。

【小结】

本文中，研究人员将多孔B、N共掺多孔石墨烯用作可再充电Li-CO₂电池的正极催化剂。因为独特的多孔纳米结构和高催化活性，新开发的Li-CO₂电池极化现象显著降低，速率性能优异，在1.0 A g^-1的电流密度下可以稳定循环超过200次——胜过已报导的所有Li-CO₂甚至Li-O₂/CO₂电池。这项工作展示了低成本无金属、双官能团碳阴极催化剂克服Li-CO₂电池循环不稳定问题的可能性，并将其推向商业化。这对下一代电化学储能系统的发展和二氧化碳的捕获都具有重要意义。

文献链接：Highly Rechargeable Lithium-CO₂Batteries with a Boron and Nitrogen-Codoped Holey-Graphene Cathode(Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DIO:10.1002/anie.201701826)

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