展望丨利用CO2“呼吸”的电池：CO2在储能中的多元化发展

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文章导读

近年来化石燃料的不断被开采与使用，带来化石燃料储量的急剧减少以及CO₂的排放量增高的严重后果。如果能将能量存储与转化和减少CO₂排放结合起来，将会带来双赢的效果。Li/Na-CO₂电池是现如今能将二者结合起来的最佳选择，然而，Li/Na-CO₂电池仍存在电化学性能不足和反应机理不明确的问题。为此，走出目前的困境需要大量的努力和创新方向。

近日，南开大学/郑州大学周震教授和信阳师范学院张彰博士基于实验室已开展研究，并结合文献报道，在Green Chemical Engineering (GreenChE)上发表了题为“Diversified Development of CO₂ in Energy Storage”的研究展望。文章总结了Li/Na-CO₂电池的最新研究进展，并对CO₂在其他储能领域进行了展望。

研究进展

首先，应合理评估Li/Na-CO₂电池的基本电化学机理，不应局限于现有的反应（4M+ 3CO₂ → 2M₂CO₃ + C）。其次，有效的催化剂和独特的电解质的使用也将带来惊喜，最近Kang研究组（图1）采用五元熔盐电解质和Ru-C催化剂赋予Li-CO₂电池优异的电化学性能，并提出新的Li₂CO₃分解机制。再者，CO₂的引入对SEI膜的稳定也起到了建设性的作用，这将有效地控制金属负极枝晶。近期张新波课题组（图2）提出CO₂不仅促进锂负极上原位形成钝化的Li₂CO₃ SEI保护膜，而且能通过捕获O₂^-限制副反应的发生。最后，CO₂在Zn/Al-CO₂ 电池、Mg-CO₂ 电池、K-CO₂ 电池和钠-菲醌电池都有独特作用。

图1. 五元熔盐与钌催化剂之间的协同作用对Li-CO₂电池的作用

图2. CO₂在Li-O₂/CO₂电池中的稳定作用

未来展望

展望未来，金属-CO₂电池可能将在许多先进领域发挥独特的作用，如未来火星科学探索和移民，以及在潜艇上不过滤CO₂的海水淡化装置。此外，光辅助Li-CO₂电池为金属-CO₂电池的多样化发展提供了广泛的选择。

文章信息

Title：Diversified development of CO₂ in energy storage

Authors：Zhang Zhang*, Linlin Zhao, Zhaojun Xie, Zhen Zhou*

DOI：doi.org/10.1016/j.gce.2020.10.003

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通讯作者简介

周震，南开大学教授、新能源材料化学研究所所长，郑州大学教育部领军人才计划特聘教授。主持(含已结题)863计划、国家自然科学基金重点项目、重大研究计划培育项目及面上项目共10余项。在Chem.Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等期刊上发表论文300余篇。论文被他人引用20000余次，h-index为84。2014-2019年连续六年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2020年连续三年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journalof Materials Chemistry A、Materials Advances和Green Energy &Environment副主编、JPCA/B/C、《过程工程学报》、《电化学》和《电源技术》编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员。

张彰，1990年出生于湖北黄石，2016年毕业于南开大学，获得工学博士学位，导师为周震教授。主要研究兴趣是新能源材料及能源存储体系。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.和Adv. Funct. Mater.等顶级期刊上发表论文10余篇。2016年入选信阳师范学院“南湖学者青年计划”。2016年分别得到河南省自然科学基金和国家自然科学基金青年项目资助。

GreenChE简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重学科交叉与绿色化工前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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