斯坦福大学戴宏杰院士《JACS》：CO₂活化使石墨成为可充锂/氯电池的优异正极！

开发新型的高容量和高能量密度的可充电电池对未来几代消费电子、电动汽车和大规模储能应用非常重要。对几种高表面积（3000 m2 g-1）的无定形碳正极材料的比较表明，大的孔隙体积（2.5 cm3 g-1），特别是微孔，对有效捕获Cl2以产生可逆的Cl-/Cl2氧化还原作用非常重要。晶体石墨材料通常具有较低的表面积和孔隙体积，似乎不太可能成为沉积大量金属氯化物以及捕集和电还原氯化物所需的高容量多孔电极材料的候选人。

近日，斯坦福大学戴宏杰院士报道了一种具有初始低表面积/孔隙率的石墨（DGr）材料作为Li/Cl2电池的正极，它在1000℃的二氧化碳（CO2）中活化后（DGr_ac）实现了优异的电池性能，首次放电容量达∼1910 mAh g-1，循环容量达1200 mAh g-1。此外，作者采用非原位拉曼光谱、X射线衍射（XRD）和质谱分析法研究了这种石墨在反复充电/放电循环中的演变。研究发现，无序石墨的二氧化碳活化和原位电化学插层/脱出以及剥离的结合打开了石墨的结构，从而有效地捕获了Cl2，这为Li/Cl2电池提供了高性能石墨正极。

文章要点：

1. 这项工作发现有缺陷的微米级石墨片可以用作Li/Cl2电池的正极，特别是在1000℃的二氧化碳环境中通过退火进一步"活化"，会产生更多的缺陷并提供更多的表面积和孔隙体积，这有助于实现优异的电池性能。

2. 通过拉曼光谱和XRD的研究，作者发现DGr_ac在电池循环过程中由于反复的插层/脱出和剥离而引起的结构变化，这在石墨片之间开辟了孔状空间，以便在高容量时捕获LiCl/Cl2和实现可逆氧化还原。

3. 此外，质谱法被用来探测石墨电极中捕获的Cl2，揭示了电池运行的情况，结果表明，除了高度多孔的无定形碳材料外，看似低表面积/小孔体积的石墨碳材料是高性能Li/Cl2电池的有力竞争者。

4. 这项工作为高容量碱金属/氯化物电池开辟了广泛可用的、低成本的石墨材料。

图1 材料表征

图2 Li/DGr_ac电池的性能

图3 循环期间的拉曼和XRD研究

图4 DGr_ac电极的质谱研究

封面来源：图虫创意