A comprehensive overview of the electrochemical mechanisms in emerging alkali metal–carbon dioxide batteries

Jiangfeng Lin, Wanqing Song, Caixia Xiao, Jingnan Ding, Zechuan Huang, Cheng Zhong, Jia Ding*, Wenbin Hu*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.313

世界经济的加速发展推动了对各类能源的庞大需求，化石能源的持续消耗导致大量CO₂排放，为了缓解由此产生的气候变化和温室效应，许多国家和地区都制定了相关的政策来限制CO₂的排放。同时，开发高效、清洁的电池系统也成为当前研究的首要任务之一。在锂离子电池能量密度较低、锂-空气电池工作环境受限的情况下，锂-CO₂电池以1876 Wh/kg的超高理论能量密度脱颖而出，并衍生出以Na、K等碱金属作为负极的CO₂电池体系。受制于放电产物的缓慢分解，锂-CO₂电池往往面临着充电电位较高、动力学缓慢、电解质分解、放电产物堆积等问题，并最终导致电池容量衰减和快速失效。目前的研究工作主要集中于开发高活性电催化剂以加速CO₂还原反应（CO₂RR）和析出反应（CO₂ER），但对碱金属-CO₂电池的基本电化学机制的深入研究十分匮乏，对CO₂RR/ER的催化剂、碱金属负极和电解质的设计和优化提供的指导有限。因此，对现有研究进行全面总结，对碱金属-CO₂电池的电化学机理进行深入比较和分析是很有必要的。

近日，天津大学胡文彬教授、丁佳教授团队以剖析碱金属-二氧化碳电池的电化学机理为中心，全面、系统地讨论了正极与负极的关键工作机理、液态和（准）固态电解质的运行机制。文章首先归纳和总结了目前应用于碱金属-CO₂电池的CO₂RR/ER催化剂及其分类，提出了对热力学反应路径、动力学特征以及决定碱金属-CO₂电池反应机理的关键因素的见解，包括充放电过程中所涉及的正极中CO₂按照不同路径发生还原与析出过程、负极中碱金属可逆的电镀/剥离过程、电解质的组分设计及作用机理等内容。基于现有的研究成果及思路，提炼了目前碱金属-CO₂电池中亟待解决的问题，展望了未来研究的广阔前景。

文章以“A comprehensive overview of the electrochemical mechanisms in emerging alkali metal–carbon dioxide batteries”为题发表在Carbon Energy上。

要点1：

由于碱金属-CO₂电池受到CO₂还原动力学差和放电产物的电化学分解困难的影响，催化剂材料在碱金属-CO₂电池中的应用是不可或缺的。我们对目前报道中用于碱金属-CO₂电池的CO₂RR/ER催化剂进行了总结、分类，主要包括碳材料、过渡金属材料、过渡合金化合物材料、金属单原子材料和贵金属/合金材料等。

要点2：

我们从充、放电过程中CO₂正极的不同反应路径及产物、碱金属负极的电镀/剥离的角度分别阐释了碱金属-CO₂电池的正极与负极的工作机理。此外，我们还对碱金属-CO₂电池中使用的电解质（包括液态及（准）固态电解质）的化学组成、本征特性和设计策略进行了全面的总结。

要点3：

根据目前的研究现状，我们提炼了目前碱金属-CO₂电池中亟待解决的问题；同时，碱金属-CO₂电池在原位监测、机理探索、组分优化、催化剂设计等方面仍然具有广阔的研究前景。