金属-二氧化碳电池原理及应用

本书深入探讨了金属-二氧化碳（M-CO2 ）电池这一新兴能源存储技术的工作原理、性能优化及应用前景。全书共7章，第1章从宏观角度概述其发展历程、特点及面临的机遇与挑战，提供该领域的全景视角。第2章深入探讨工作原理，分析二氧化碳还原和氧化反应的关键步骤及影响因素。第3～5章聚焦正极催化剂、电解液及负极材料等关键部件，介绍最新研究进展与技术难题。第6章讨论产物的分析及表征技术，重点介绍反应路径分析方法。第7章介绍了金属-二氧化碳电池技术的未来发展方向与挑战，预测其在新能源、储能及碳减排中的应用前景。
本书不仅适合电池技术、能源存储及绿色能源领域的科研人员、工程技术人员阅读，也适合高等学校相关专业师生以及有志于从事新能源行业的读者阅读，旨在提供对金属-二氧化碳电池工作原理的深刻洞察，探讨其面临的挑战与未来发展潜力，为新能源体系的创新和发展提供重要的理论支持和技术指引。

金属-二氧化碳电池直接利用二氧化碳，其理论比能量与汽油相近，比传统电池高出几个数量级。金属-二氧化碳电池代表了一种很有前途的技术，可以捕获和回收二氧化碳，同时作为可再生能源网络的储能解决方案。金属-二氧化碳电池电池新技术的探索给新能源的发展以及实现碳中和目标提供了新思路，具有重要的理论研究意义及潜在的应用前景。

金属-二氧化碳电池体系，作为一种具有广泛应用前景的能源存储与转换技术，凭借高能量密度，以及对温室气体CO2 资源化转换利用的优势，被视为后锂离子电池时代的前沿选择，具有改变能源产业格局的潜力。经过多年的科研积累，金属-二氧化碳电池在储能机理、结构设计及关键部件（如电催化剂设计、电解液优化和负极保护） 等方面取得了显著进展。这些成果得益于实时分析技术的应用，使得关键中间产物的捕捉和追踪、气态产物的分辨和监测成为可能。尤其值得关注的是，随着计算机算力的迭代更新和海量数据的存储可达，高通量机器学习技术逐渐渗透至金属-二氧化碳电池研究领域，涵盖了催化剂材料的开发、催化能力的评估以及反应过程的模拟计算，显著推动了这一技术的高速发展及其商业化应用进程。
本书深入探讨了金属-二氧化碳电池这一新兴能源存储技术的工作原理、性能优化及应用前景。本书由太原理工大学李雪莲著写。
借此机会，要感谢王斌教授和程建丽教授在学业及事业上的引领和指导；感谢学生时代的王转培博士、周静雯博士、杨杰博士、张俊祥博士、漆贵才博士的陪伴与鼓励；感谢入职高校后课题组研究生郭文奇、王雨琨、雷普瑛、王璇、曹志会、白冰、张倩倩、刘原、于俊美和高前辉，以及本科生张雨童、景茗协助实验室搭建和日常运行以及在资料收集和整理方面提供的支持。太原理工大学环境与生态学院的王建成院长和潘燕春书记也为本书的出版给予了宝贵的指导和建议。
在本书的编写过程中，参考并引用了相关课题组的科研成果，特此致谢。专著的编写得到了国家自然科学基金青年基金、山西省基础研究计划（青年科技）项目以及博士后面上基金的大力支持，在此一并感谢。
希望本专著的出版能够对相关领域的学者及从业者有所启发。书中如有疏漏与不妥之处，敬请广大读者批评指正。

李雪莲
于太原理工大学明向校区

第1章 概述001
1.1 金属-二氧化碳电池简介 002
1.1.1 发展历程 002
1.1.2 电池结构 003
1.1.3 电池分类 004
1.2 金属-二氧化碳电池的特点及应用 011
1.2.1 优缺点分析 011
1.2.2 失效原因分析 013
1.2.3 改进策略 013
1.2.4 应用前景 014
1.3 金属-二氧化碳电池面临的机遇与挑战 020
1.3.1 有机系碱金属-二氧化碳电池的关键问题 020
1.3.2 水系金属-二氧化碳电池的关键问题 022
参考文献 023

第2章 金属-二氧化碳电池工作原理027
2.1 有机体系金属-二氧化碳电池工作原理 027
2.1.1 纯二氧化碳气氛下L-i CO2 电池放电机制 027
2.1.2 纯二氧化碳气氛下L-i CO2 电池充电机制 030
2.1.3 氧气参与的L-i CO2 电池充放电机制 032
2.1.4 水参与的L-i CO2 电池充放电机制 035
2.1.5 金属-二氧化碳电池性能研究及影响因素 037
2.2 水系金属-二氧化碳电池工作原理 039
2.2.1 电极反应机制 040
2.2.2 水系Zn-CO2 电池充放电反应机理 042
2.2.3 水系Zn-CO2 电池设计原则 044
参考文献 045

第3章 金属-二氧化碳电池正极催化剂材料049
3.1 正极材料设计原则与注意事项 049
3.1.1 设计原则 049
3.1.2 设计注意事项 050
3.2 碱金属-二氧化碳电池正极材料 051
3.2.1 碳基催化剂 051
3.2.2 金属催化剂 056
3.2.3 金属有机骨架、共价有机骨架催化剂及其衍生物 073
3.2.4 单原子催化剂与新型催化剂体系 076
3.3 锌-二氧化碳电池正极材料 082
3.3.1 碳基催化剂 082
3.3.2 金属基催化剂 083
3.3.3 金属-碳基复合催化剂 085
3.3.4 单原子催化剂 090
参考文献 093

第4章 金属-二氧化碳电池负极材料102
4.1 负极材料设计原则与注意事项 102
4.2 金属-二氧化碳电池负极工作原理 103
4.2.1 有机系碱金属M-CO2 电池负极反应机制 103
4.2.2 水系Zn-CO2 电池负极反应机制 104
4.3 二氧化碳电池负极锂的设计与挑战 104
4.4 负极预金属化处理 105
4.4.1 插层型负极预金属化 106
4.4.2 合晶型负极预金属化 107
4.5 负极界面修饰 109
4.5.1 人造SEI 层 109
4.5.2 纳米界面工程 110
4.5.3 锂离子流量均匀化 110
参考文献 111

第5章 金属-二氧化碳电池电解质及隔膜114
5.1 有机电解液 114
5.1.1 碳酸酯类电解液 114
5.1.2 醚类电解液 115
5.1.3 其他有机电解液 117
5.1.4 离子液体电解液 123
5.2 水系电解液 126
5.2.1 传统水系电解液 126
5.2.2 高浓度水系电解液 126
5.3 固态电解质 128
5.3.1 准固态电解质（凝胶电解质） 128
5.3.2 全固态电解质 131
5.3.3 熔融盐电解质 135
5.4 电解液添加剂 138
5.5 隔膜 145
5.5.1 玻璃微纤维滤纸隔膜 145
5.5.2 聚电解质复合物隔膜 145
5.5.3 固态电解质隔膜 146
参考文献 146

第6章 金属-二氧化碳电池表征与失效分析151
6.1 固体产物的组分及结构分析 151
6.1.1 固体产物形貌的SEM 分析 151
6.1.2 固体产物形貌的原位TEM 分析 155
6.1.3 固体产物原位Raman 及SERS 分析 158
6.1.4 固体产物原位X 射线衍射（XRD）分析 163
6.1.5 固体产物原位红外分析 165
6.1.6 固体产物的原位APXPS 分析 166
6.2 气体产物的组分及气体消耗-生成速率分析 169
6.2.1 原位DEMS 分析 169
6.2.2 气体消耗-生成量计算 169
6.2.3 气体产物的同位素分析 174
6.3 反应机制分析 178
6.3.1 反应路径的推断与验证 178
6.3.2 反应位点催化机理研究 179
6.4 金属-二氧化碳电池失效分析 184
参考文献 185

第7章 金属-二氧化碳电池技术发展展望188
7.1 金属-二氧化碳电池系统的设计 188
7.2 金属-二氧化碳电池中CO2 捕集与存储 189
7.2.1 金属-二氧化碳电池中CO2 捕集 189
7.2.2 金属-二氧化碳电池中CO2 存储 194
7.3 金属-二氧化碳电池技术发展展望 194
参考文献 196