陆俊/徐睿/耿东生AEM: 低过电位的非水系Mg-CO2电池及其失效机制

以CO₂为正极活性物质的Mg-CO₂电池具有高效的能量储存和CO₂的增值利用等优点，是新一代极具吸引力的电池候选者。然而，与其他金属-CO₂体系相比，由于在非水系环境中氧化还原反应动力学相对较慢、还原产物分解能垒大及多电子三相正极反应可逆性较差等关键问题，目前报道的非质子Mg-CO₂电池很少。

在此，浙江大学陆俊教授、北京科技大学耿东生教授、徐睿教授及陈名扬副教授等人系统地研究了非质子Mg-CO₂电池中的电化学反应途径和失效机制，发现在放电过程中形成不可分解的块状碳酸镁和氧化镁是造成电池在非水系统中失效的根本原因。具体而言，作者首次报道了一种基于非水系电解液的可充电Mg-CO₂电池，该电池不涉及任何水的促进作用且具有低过电位、高能效等优势。

该电池由金属镁作为负极、0.5 M Mg(TFSI)₂加入TEGDME或EMIMBF₄和TEGDME的混合物（EMIMBF4:TEGDME=1:9 vol%）中作为电解液、玻璃纤维作为隔膜（GF/D, Whatman）和碳化钼-多壁碳纳米管（Mo₂C-CNTs）作为催化正极等组成。电化学测试表明，该电池电压滞后可降低到0.7 V。当与含有EMIMBF₄的电解液结合时，电池可运行超过140个循环且电压滞后进一步降低到0.3 V。

图1. 基于不同正极的Mg-CO₂电池的电化学性能

基于初步的非原位/原位分析和DFT计算，作者发现MgC₂O₄是Mo₂C-CNTs催化正极表面放电产物的主要成分，这有利于电池实现更快的氧化还原反应动力学、更低的充电过电位和更高的可逆性。在CO₂还原过程中，当Mo₂C催化剂的活性位点逐渐被正极表面形成的MgC₂O₄阻挡时，其他放电产物包括MgO、MgCO₃和C也开始形成，而MgO的不可逆性和部分块状MgCO₃导致电池在循环过程中失效。

因此，减少Mg-CO₂电池放电产物中MgCO₃和MgO的形成将是提高其循环寿命的关键，增加催化剂表面积和选择合适的电解液添加剂似乎是改善当前电池系统的有希望的方法。总之，这项工作为可充电非水系Mg-CO₂电池展示了一种有前景的战略选择，可同时解决能源和环境问题。

图2. Mg-CO₂电池失效机理研究

A Nonaqueous Mg-CO₂ Battery with Low Overpotential, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201675

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