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成果展示

開發新型的高容量和高能量密度可再充電電池對未來消費電子產品、電動汽車和大規模儲能應用至關重要。在2021年，斯坦福大學戴宏杰院士團隊在Nature上發表了題為“Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries”的文章。在文中，制備的鈉/氯氣（Na/Cl₂）和鋰/氯氣（Li/Cl₂）電池具有高達1200 mAh g^-1可逆容量和~3.5 V的電壓，使用Na或Li金屬作為負極，非晶態碳納米球（aCNS）作為正極，氯化鋁（AlCl₃）溶解在亞硫酰氯（SOCl₂）中，氟基添加劑作為電解質。其中，aCNS在正極的高比表面積和大孔容有利于NaCl或LiCl的沉積和Cl₂的捕獲，進行可逆的NaCl/Cl₂或LiCl/Cl₂氧化還原反應和電池放/充電循環。

在本文中，戴宏杰院士團隊報道了一種初始的低表面積/孔隙率石墨（DGr）材料作為Li/Cl₂電池的正極，在1000 °C（DGr_ac）在二氧化碳（CO₂）中激活后獲得了很高的電池性能，第一次放電容量約1910 mAh g^-1，循環容量高達1200 mAh g^-1。非原位拉曼光譜和X射線衍射（XRD）揭示了石墨在電池循環過程中的演化過程，包括插層/脫層和脫落，產生足夠的孔隙來容納LiCl/Cl₂氧化還原。該工作為大容量堿金屬/Cl₂電池提供了廣泛可用的、低成本的石墨材料。最后，作者還利用質譜法檢測了石墨正極中捕獲的Cl₂，從而揭示了Li/Cl₂電池的工作原理。

背景介紹

近幾十年來，電池的需求穩步增長，應用范圍廣泛，包括手機、電動汽車（EVs）、衛星和電網儲能等。因此，開發具有更高比容量、更高能量密度和更長循環壽命的電池變得越來越重要。科學家們發明了不同類型的電池，用各種高能金屬作為負極?；谝褕蟮赖目稍诔潆奛a/Cl₂和Li/Cl₂電池，使用Na或Li金屬作為負極，無定形碳納米球（aCNS）作為正極，以及由氯化鋁（AlCl₃）和溶解在亞硫酰氯（SOCl₂）中的氟基電解質添加劑組成的電解質，該電池的放電電壓約3.5 V，循環容量高達1200 mAh g^-1和循環壽命約200次。

對幾種高表面積（約3000 m² g^-1）的非晶態碳正極材料的比較表明，大孔容積（約2.5 cm³ g^-1），特別是微孔，對于有效捕獲Cl₂以進行可逆的Cl^?/Cl₂氧化還原的重要性。其中，研究各種形式的碳材料是堿金屬/Cl₂電池的主要方向之一。結晶石墨材料通常具有較低的表面積和孔隙體積，不太可能成為沉積大量金屬氯化物以及捕獲和電還原氯化物所需的高容量多孔電極材料的候選人。

圖文速遞

圖1. LiCl/AlCl₃/SOCl₂電解質中Li/石墨電池的DGr和DGr_ac，含2 wt%的LiFSI添加劑

圖2.無CO₂活化的Li/DGr電池的Li/Cl₂電池循環性能

圖3. CO₂活化石墨為正極的Li/DGr_ac電池的Li/Cl₂電池循環性能

圖4. Li/Cl₂電池循環中不同階段DGr_ac正極的Raman和XRD研究

圖5. Li/DGr_ac電池中充/放電DGr_ac電極釋放物質的質譜分析

小結

總之，作者發現有缺陷的微米級石墨薄片可以用作Li/Cl₂電池的正極，特別是在1000 °C的CO₂環境中退火進一步“活化”后，會產生更多缺陷，從而增加表面積和孔體積。使用DGr_ac正極的所得Li/Cl₂電池可再充電/循環，容量高達1200mAh g^-1，平均放電電壓約為3.5 V。

通過拉曼光譜和XRD的研究揭示了DGr_ac在電池循環過程中的結構變化，是由重復的嵌入/脫嵌和剝離所引起，在石墨片之間打開了孔隙狀空間，用于LiCl/Cl₂捕獲和高容量下的可逆氧化還原。此外，質譜法用于探測捕獲在帶電石墨電極中的Cl₂，從而在電池運行中發光。結果表明，低表面積/小孔體積的石墨碳材料是高性能Li/Cl₂電池的有力競爭者。

文獻信息

1、Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03757-z.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03757-z/2.

2、High-Capacity Rechargeable Li/Cl₂ Batteries with Graphite Positive Electrodes. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07826.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c07826.

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