近日，东南大学化学化工学院张一卫教授与南京理工大学杨勇副教授合作，在储能材料领域顶级期刊Energy Storage Materials (影响因子17.789) 发表题为“Electron Structure and Reaction Pathway Regulation on Porous Cobalt-Doped CeO2/Graphene Aerogel: A Free-Standing Cathode for Flexible and Advanced Li-CO2 Batteries”的研究成果，为新型储能器件Li-CO2电池的发展提供了新思路。
CO2的开发与利用，特别是与储能系统的结合对于缓解当今社会能源短缺与全球变暖具有重要意义。作为新兴的储能设备，Li-CO2电池自问世以来就因其对环境友好性、良好的CO2固定能力和较高的理论容量（1876 Wh kg-1）而备受关注。然而，具有绝缘性和热力学稳定性的碳酸锂(Li2CO3)在电化学过程中不可避免地产生，这严重阻碍了Li-CO2电池的可逆性与能量效率。因此，开发高性能催化正极对于促进Li2CO3的高效分解、过电势降低、充放电容量与循环寿命的提高等具有重要意义。除此之外，Li2CO3作为Li-空气电池的主要副产物，深入探究其生成与分解过程，对于开发高性能Li-空气电池具有重要的反馈价值。
这项工作通过将具有复杂价态的钴元素掺杂到对异元素容纳性高的CeO2纳米片中，以提高其导电性，并使Co-Ce界面的电子发生重排进而实现对单一催化正极材料的电子调控，促进了对反应物的吸附能力。将该双金属活性物质固定在石墨烯表面制备成多孔柔性气凝胶正极片，可直接用作Li-CO2电池的自支撑正极。相比传统正极片复杂的制备工艺流程，该类型电极片的制备方法不仅简化了工艺，而且节省了绝缘性粘结剂与集流体的使用。同时，该类型正极独特的多孔结构有利于Li-CO2电池中CO2和电解质的扩散。使用该钴掺杂的CeO2/石墨烯气凝胶（CCGA）自支撑正极的Li- CO2电池具有出色的放电容量（在100 mA g-1的电流密度下为7860 mAh g-1）和较好的循环稳定性（> 100个循环）。在反应机理探究方面，该工作采用实验结合密度泛函理论（Density functional theory, DFT）探究了钴元素掺杂的CeO2对于充放电产物分解的促进作用。该工作还为当前Li-CO2电池尚不明确的充放电反应机理和反应路径提供了新的见解。此外，凭借出色的柔韧性和机械稳定性，基于CCGA正极的Li-CO2电池在柔性储能装置与电子产品中也显示出了应用潜力。
论文第一作者为我院2020级博士研究生邓庆华，通讯作者为东南大学张一卫教授与南京理工大学杨勇副教授，东南大学为第一通讯单位。该研究成果得到国家自然科学基金(No.21878047, 21676056 和51303083)的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829721003731
