Enthüllung der Geheimnisse der Betriebsspannungen von Lithium-Kohlendioxid-Batterien

Ein Team unter der Leitung von Prof. Tan Peng von der University of Science and Technology of China (USTC) hat unser Verständnis der Betriebsspannungen von Lithium-Kohlendioxid-Batterien (Li-CO2) erweitert und eine neue Strategie für die nächste Li-Generation entwickelt -CO2-Batterien. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Li-CO2-Batterien können CO2 in Karbonat und Kohlenstoff umwandeln, während sie elektrische Energie abgeben, und besitzen daher den Vorteil sowohl der Energiespeicherung als auch der CO2-Nutzung. Frühere Studien berichteten im Allgemeinen, dass die Betriebsspannung von Li-CO2-Batterien etwa 2,6 V beträgt, was der von Li-O2-Batterien ähnlich ist. Diese Annahme wurde jedoch zunehmend mit der Frage konfrontiert, ob die langsame CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) solch hohe Spannungen erzeugen kann.

Um die obige Frage zu beleuchten, baute das Team von Prof. Tan Peng ein elektrochemisches Testsystem für die Li-Flow-CO2-Batterie, das eine reine CO2-Umgebung gewährleistet. Die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)-Elektrode, die mit Katalysator beladene Kohlenstoff-Nanoröhre (RuO2/CNT) und die Nicht-Kohlenstoff-Nanoröhre (RuO2/NiO) zeigten alle, dass die Li-CO2-Batterie bei etwa 1,1 V arbeitet und dass die CO2RR-Rate viel niedriger ist als die Sauerstoffreduktionsreaktion. Das Team bestimmte das Gleichgewichtspotential auf etwa 2,82 V unter Verwendung einer intermittierenden Galvanostatstrom-Titrationstechnik.

Nach der Analyse des Produkts schlug das Team vor, dass die Entladungsprodukte bei 1,1 V eine Mischung aus kristallinem Li2CO3, amorphem Li2CO3 und amorphem C sind, was den Vier-Elektronen-Übertragungsmechanismus verifizierte (Li++ CO2+ 4e−→ Li2CO3+ C). Dieser Mechanismus sagt theoretisch ein Gleichgewichtspotential von 2,8 V voraus, was mit den Testergebnissen übereinstimmt.

Die Produktanalyse zeigte, dass der Vier-Elektronen-Transfer langsam abläuft und den Eigenschaften von Niederspannungssystemen und inertem CO2 entspricht.

Darüber hinaus fand das Team unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) heraus, dass kleine Partikel in den Produkten unter Elektronenstrahlbestrahlung durch die Phagozytose von amorphen Materialien zu wachsen begannen und begannen, sich mit anderen Partikeln zu verschmelzen. Dabei wird amorphe Substanz allmählich in einen kristallinen Zustand überführt. Daher war das TEM-Bild in einigen früheren Studien wahrscheinlich nicht die natürlichen Entladungsprodukte, sondern die Produkte der Elektronenstrahlbestrahlung.

Um die Quelle der Hochspannung herauszufinden, untersuchte das Forschungsteam weiter die Auswirkungen von entkoppelten Luftkomponenten und Betriebsbedingungen auf die Batterieleistung. Durch Anheben der Spannungsplateaus auf 1,8–2,0 V durch 1 % O2 und 500 ppm H2O konnte das Team keine Nebenprodukte wie LiOH und Li2O2 in den Entladungsprodukten nachweisen.

Die Morphologie und Kristallinität von Li2CO3 zeigten jedoch signifikante Unterschiede. O2 und H2O senkten die Potentialenergiebarriere und milderten die Elektrodenpassivierung, indem sie den Erzeugungspfad von Li2CO3 veränderten, wodurch die Reaktion beschleunigt und die Entladungsspannungsplateaus erhöht wurden. Basierend auf der Entkopplungsanalyse könnte der leichte Luftrest oder Leckage im Testgerät zu höheren Spannungsplateaus führen und ist äußerst schwer zu erkennen.

Diese Arbeit legte nahe, dass Forscher für die Entwicklung der Li-CO2-Batterien der nächsten Generation Mechanismusstudien in einer reinen CO2-Umgebung durchführen und kompatible Komponenten wie Katalysatoren, Elektrolyte und Elektroden entwickeln müssen.