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金属-二氧化碳电池作为一种兼顾高能量密度和二氧化碳利用的新型储能方式受到广泛发展。单价金属-二氧化碳电池虽发展迅速，但活泼的锂、钠、钾负极材料为电池带来不可忽视的安全隐患。镁作为代表性多价金属，具有与单价金属相近的低氧化还原电位、不易生长枝晶且地壳储量丰富的优势，在多价金属-二氧化碳电池领域具备广阔发展前景。
近日，天津大学罗加严教授课题组通过向二氧化碳中引入适量水蒸气，首次实现了非水系电解液下镁-二氧化碳电池的可逆运行，结合放电产物分析与理论计算提出2Mg + 3CO2 + 6H2O ↔ 2MgCO3·3H2O + C的反应过程。
图1.镁-二氧化碳电池示意图 图2.镁-二氧化碳电池的电化学性能 此工作分别组装了气氛中含水及无水的镁-二氧化碳电池并比较二者在电化学性能及放电产物上的差异。研究发现，与使用干燥二氧化碳相比，使用含有适量水蒸气的二氧化碳作为正极活性气体可使电池以1 V的放电电压保持250小时的较长循环寿命，经检测主要放电产物为MgCO3·H2O且在充电过程能够充分分解。 DFT计算说明放电过程中水分子的存在使反应物与正极碳基底间的结合更强，利于放电反应的发生且帮助降低放电反应的过电位；充电时含水条件下的放电产物MgCO3·H2O与干燥条件下生成的MgCO3相比，除有更负的结合能外，其中的碳氧双键在碳基底和结构内水分子的作用下被显著拉长，利于产物的分解，使电池保持较长的循环寿命。 图3. 水分支持及无水环境下反应物及放电产物与正极基底的吸附能比较 图4. 水分支持及无水环境下反应示意图及电池反应可逆情况 除正向放电产物检测外，该工作还对水分支持的镁-二氧化碳电池充电过程进行分析，发现充电电压与电池长循环时电压相近且实验测得的二氧化碳释放量与理论增长趋势一致，再次验证了水分支持的镁-二氧化碳电池具有较强的可逆性和发生2Mg + 3CO2 + 6H2O ↔ 2MgCO3·3H2O + C的反应过程，为多价金属-二氧化碳电池的发展提供了一定的启发。 论文信息： A Moisture-assisted Rechargeable Mg-CO2 Battery Chenyue Zhang, Aoxuan Wang, Longyuan Guo, Jin Yi, Jiayan Luo* Angewandte Chemie International Edition
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