自2014年首次推出鋰二氧化碳(CO2)電池以來，各種可充電金屬二氧化碳電池引起人們之廣泛關注，成為解決與二氧化碳相關之環境問題與可持續能源存儲需求之一種有趣方法。金屬二氧化碳電池由於具兩大優勢而成為電化學CO2還原領域中之一個有前景之領域：它們不依賴外部電力進行CO2還原，並且提供高能量密度。金屬二氧化碳電池，尤其鋰與鈉基電池，其具顯著之理論電容量密度與工作電壓，為開發可持續能源存儲系統提供巨大機遇，進一步推動不斷擴大之電動車行業。此外，此些電池於火星、金星等富含CO2之大氣與水下環境中，還可供電月球車、火星車、潛艇等方面發揮重要作用。然而，於可充電金屬二氧化碳電池領域仍存在著有限之迴圈壽命、鋰與鈉離子形成之枝晶與電解液洩漏等挑戰。目前正進行廣泛研究，以確定並克服此些障礙，旨在提高整體電池性能。故對各種金屬二氧化碳電池之最新重要進展進行綜述至關重要，可為研究人員與學習者提供對該領域最新發展之全面理解，並指導他們未來之研究工作。
近日，本院化學系、前瞻綠色材料高值化研究中心與重點科技研究學院的劉如熹特聘教授團隊、臺北科技大學的鐘仁傑教授與臺灣師範大學的胡淑芬教授合作，於國際知名期刊Chemical Review上發表題為“Recent Advances in Rechargeable Metal–CO2 Batteries with Nonaqueous Electrolytes”的文章。文章指出，此篇綜述文章深入探討近期二次金屬二氧化碳電池之進展，特別著重於鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、鎂(Mg)與鋁(Al)系統與含非水電解質。該文章分為不同之章節，每個章節專注於特定之金屬二氧化碳電池。此些章節涵蓋電解質、陽極之潛在修飾與其他氣體於CO2反應中之影響。
本文要點如下:
要點一：電解質
電解質於促進離子傳輸方面起著至關重要之作用，依賴於導電性、運動性、穩定性與黏度(對於液體與凝膠而言)。故此篇綜述文章對電解質選擇進行全面評估，並賦予重要性。文章概述最近與常用之非水電解質，涵蓋液體電解質、凝膠電解質、幾乎固體電解質與固態電解質。此外，文章中亦探討電解液中氧化還原仲介物對電解質之影響，特別關注鋰二氧化碳電池。該文章還提供電解質之簡明合成路線，以使讀者熟悉合成方法。
要點二：空氣陰極
金屬二氧化碳電池中之CO2氣體陽極是負責在放電過程中進行CO2還原與在充電過程中解離放電產物之關鍵元件。金屬二氧化碳電池之耐用性取決於高效與可持續之催化材料之性能。在陰極部分，對最近用於CO2氣體陰極之幾種類型之催化材料進行綜述。此外，文中強調催化材料之合成方法與重要之實驗與/或理論發現，簡潔地描述催化材料之性能。其中並討論光輔助陰極對鋰二氧化碳電池之潛在前景，並認識到其顯著之潛力。
要點三：金屬陽極 此外，該綜述文章探討一些研究專注於修改金屬鋰、鈉與鉀陰極以減輕腐蝕與枝晶形成問題之情況。本節對此些研究進行簡要概述，並討論其對電池性能之影響。
要點四：氣體雜質之影響 最後，該綜述文章簡要介紹其他氣體對CO2反應之影響，引用涉及此一主題之選擇性文章。
本綜述結論為可充電金屬二氧化碳電池的發展仍處於早期階段，但潛力巨大。此些電池作為可持續且低成本的能源存儲解決方案。此高理論能量密度之金屬二氧化碳電池未來於電動汽車及其他移動載具之應用具吸引力。然而重大挑戰仍有待克服的問題，包括提高效率與電化學反應的穩定性並開發合適之催化劑。
本研究成果已於2023年7月12日發表於Chemical Reviews: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.3c00167 (Impact Factor 2023: 72.087)
圖-非水電解質之可充電金屬二氧化碳電池最新進展。
圖-不同可充電金屬二氧化碳電池之電流密度對最大放電容量性能圖。