二氧化碳捕获与利用在二氧化碳减排，减缓全球变暖，以及潜在的未来火星探索等领域正受到越来越多的关注。近年来，锂-二氧化碳电池作为一种新型电池体系可以有效利用温室气体并提供高比能量的电能，而获得日益广泛的关注。然而，在现实中，它的广泛实施仍有许多技术挑战需要克服。首先，由于二氧化碳固有的电化学惰性，使得二氧化碳的直接电还原反应十分具有挑战性，直接导致锂-二氧化碳较低的放电电压 (<2.0 V)。其次，该反应的主要放电产物Li₂CO₃为宽带隙绝缘子，导致较高的充电平台(>4.3V)，并进一步引发大量副反应和降低电池的循环稳定性。为有效提高锂-二氧化碳电池输出电压并降低充电过电位，使得该新体系电池满足高品质电能的要求，南京大学现代工学院何平教授与周豪慎教授在前期二氧化碳电化学还原和析出机理探索和相关液相催化剂研究的基础上，首次提出了一种锂-二氧化碳电池使用的固态氧化还原介质，即将苯-1,3,5-三羧酸与Cu(II)配位形成的金属有机框架材料(RM(II)-BTC) 固定在正极上，该技术有效地规避了可溶性氧化还原介质的穿梭效应和缓慢动力学问题。结果表明，处于电化学还原态的RM(I)-BTC固态氧化还原介质有效地捕获CO₂，通过涉及二聚草酸中间体的二聚反应促进Li₂C₂O₄的形成，从而降低了充放电过电位(图1a, b)。

图1 基于RM(II)-BTC固态氧化还原介质的锂二氧化碳电池原理图及机理图。

在RM(II)-BTC的作用下，该锂-二氧化碳电池放电平台升至2.8 V，放电容量达到9040 mAh g⁻¹，充电电压降至3.7 V，可稳定循环400圈以上 (图2a, b)。重要的是，即使与我们课题组刚报道的可溶性氧化还原介质(RM)相比，基于固态RM(II)-BTC的锂-二氧化碳电池在速率能力方面也表现出很大的优势。特别是在高电流密度下，基于固态RM(II)-BTC的锂-二氧化碳电池的放电电压从2.60 V略微下降到2.46 V，充电终止电压从3.66 V上升到3.76 V (图2c)。相比之下，纯碳纳米管正极(添加或者不添加RM)在两个大电流密度下都遭受更严重的电压极化。该固态氧化还原介质的引入，使得锂-二氧化碳电池实现了无碳酸锂产物生成的放电路径，并大大降低了充放电过电压。同时，软包电池的成功开发推动了金属-二氧化碳电池更接近实应化。

图2 基于CNTs和固态RM(II)-BTC正极的Li-CO₂电池电化学性能。(a)全充放性能对比；(b)定容循环性能对比；(c)大电流倍率性能对比。

相关工作以“Boosting a practical Li-CO₂ battery through dimerization reaction based on solid redox mediator”为题，于2024年1月27日在《Nature Communications》(https://doi.org/10.1038/s41467-024-45087-4)上在线发表。南京大学现代工学院何平教授与周豪慎教授为论文通讯作者，该院博士后李伟（2023届博士）为该论文的第一作者。以上研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金等项目的资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室和南京大学储能材料与技术中心等单位的支持。