近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室先进能源与环境材料团队在Angewandte Chemie International Edition上发表题为 “Light/Electricity Energy Conversion and Storage for Hierarchical PorousIn₂S₃@CNT/SS Cathode towards a Flexible Li-CO₂Battery”的研究工作，该研究成功制备了分级多孔结构的In₂S₃@CNT/SS材料作为双功能光电极，在锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池中实现了光/电能量之间的转化与储存。这项工作利用光能大幅改善Li-CO₂电池的反应动力学，为提升电池综合性能提供了新思路。该电池同时具备优异的柔性和环境适应性，有望用于CO₂浓度高达96%的火星表面探测。

太阳能的高效利用是缓解当前全球面临的能源危机和环境污染问题的有效途径之一。目前太阳能主要利用形式是通过光伏发电转化为电能，但光伏电池仅能实现太阳能转化为电能，不能实现电能的存储。开发一种新型太阳能可充电电池，可同时实现太阳能至电能的直接转化和存储，并解决便携电子产品和电动汽车充电时对电网的依赖，具有重要的科学意义和实用价值。近年来，具有超高理论能量密度的Li-CO₂电池可以将温室气体二氧化碳（CO₂）作为反应原料储存在新型能源设备当中，这种双重功能使其成为备受关注的新一代能源储存系统。然而，CO₂分子的热力学稳定性及放电产物碳酸锂（Li₂CO₃）的绝缘性，严重限制了Li-CO₂电池的充放电反应动力学，导致电池能量转换效率和循环寿命较低。目前已有大量的研究试图开发有效的正极电催化剂来解决这些问题，然而电池仍存在较大的过电位和较低的能量转换效率（<80%）。因此，发展清洁、高效的新型策略来增强反应动力学，进而提升Li-CO₂电池综合性能，是十分必要的，且具有很大的挑战。

图一：光辅助锂-二氧化碳电池基本结构及充放电电压差的示意图

该研究团队成功地将环境友好和取之不尽的清洁能源——太阳能引入Li-CO₂电池体系中，实现了光/电能量的混合转化与储存，有效改善了电池反应动力学，尤其促使能量转换效率达到98.1%的历史新高。为了达到此目的，作者采用化学气相沉积法合成了分级多孔结构的In₂S₃@CNT/SS（ICS）材料并作为电池的正极，首次构建了光辅助Li-CO₂电池新体系。ICS具有合适的导价带位置和丰富的多孔结构，能够有效的利用光能并抑制光生电子与空穴的复合（见图一）。当电池在模拟太阳光照下放电时，ICS光电极受光激发产生电子和空穴并被应用于提升电池充/放电反应动力学。该论文提出了明确的电池放电反应机理（见图二）：第一步，光电极在光照条件下产生光生电子与空穴；第二步，光生电子迁移至正极表面先发生In³⁺还原成In⁺过程；第三步，In⁺与吸附在表面的二氧化碳通过In-O键连接生成In³⁺-(C₂O₄)^2-中间体来“预激活”CO₂，促进Li-CO₂电池的放电过程，避免了CO₂直接得电子还原所需的高电位（−2.21V vs. SCE）。基于此预活化反应机制，Li-CO₂电池展现出3.14V的超高放电电压（超过热力学限制）。同时由于留在价带的空穴具备氧化放电产物的能力，充电过程中可得到光电势的补偿，实现了3.20V的超低充电电压，促使电池的能量效率达到98.1%的历史新高。

图二：ICS电极在光辅助放电过程的CO₂“预活化”机制

同时，得益于ICS电极良好的柔性特点，组装的柔性Li-CO₂电池可以在0°~180°任意弯曲或扭曲情况下稳定运行，并保持超低的过电位和优异的循环稳定性。该研究成果为开发低成本、高性能光电存储转化设备提供了新的思路，同时为太阳能利用提供了新的应用领域，展示出广阔的应用前景。

相关的研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，通讯作者为吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室徐吉静教授。

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202005053