能源危機與溫室效應近年來越發得到國際社會的關注，碳中和是各國未來的發展目標。二氧化碳電池由於能夠同時實現二氧化碳的回收利用與產生電能，因而得到科研人員的廣泛關注。目前的研究大多集中在鋰-二氧化碳和鈉-二氧化碳這兩類比較成熟的鹼金屬電池體系，相比於鋰和鈉，鉀同時具有高地殼丰度（K：1.5 wt%，Li：0.0017 wt%）和低的氧化還原電勢（K+/K：–2.93 V，Na+/Na：–2.71 V vs. SHE）的優點，更有望實現高比能二氧化碳電池的大規模應用。然而，目前研究的鉀-二氧化碳電池過電位大、安全性差，其原因可歸結為兩個方面：1、活潑的鉀金屬負極不僅容易與電解液發生嚴重的副反應，還容易產生枝晶狀沉積物，導致效能衰減甚至電池過早死亡；2、正極催化劑活性不足，導致高的充電過電位，容易引發電解液氧化分解，進一步惡化電池效能。此外，可充鉀-二氧化碳電池的充放電機理仍有待探究。

近日，南開大學陳軍院士團隊透過正負極同時改進，雙管齊下，全面提升了鉀-二氧化碳電池的迴圈和可逆性。在此工作中，使用更為穩定且不生長枝晶的KSn合金作為負極，結合羧酸根官能化的碳奈米管（MWCNTs-COOH）正極，兩個方面同時改進，實現了高迴圈穩定性、低過電位的鉀-二氧化碳電池；並進一步詳細揭示了該電池體系的反應機理為：4KSn + 3CO2 ↔ 2K2CO3 + C + 4Sn。

鉀-二氧化碳電池的結構和充放電反應機理

使用KSn合金作為負極，從根本上避免了鉀金屬與電解液的副反應以及可能形成的枝晶，在負極側實現了穩定的鉀離子脫嵌行為。

透過原位拉曼，證明了碳酸鉀在充放電過程中在正極上的可逆生成與消失，並在銀奈米線正極上證明了另外一個放電產物碳單質的存在。進一步用原位氣相色譜定量驗證了充電過程中二氧化碳的生成。非原位XRD表明負極發生的是KSn到Sn的可逆轉化。

最終組裝的鉀-二氧化碳電池表現出了優異的迴圈穩定和低的充放電極化，在0.8 A g-1截容量500m Ah g-1條件下可以穩定執行400圈，並且展現出了優異的倍率效能。

透過分析發現，MWCNTs-COOH正極與放電產物碳酸鉀產生了強的靜電相互作用，這能誘導放電產物均勻成核，形成薄膜狀放電產物，利於產物在充電過程中的分解。並且透過計算發現，與MWCNTs-COOH相互作用的碳酸鉀的C=O鍵被拉長，在熱力學上更有利於碳酸鉀的充電分解。

該工作透過使用KSn合金負極和特異性設計的MWCNTs-COOH正極催化劑，實現了高穩定性長迴圈的鉀-二氧化碳電池，並結合多種表徵手段詳細揭示了鉀-二氧化碳電池的充放電反應機理，為高效利用二氧化碳與進一步推進鉀-二氧化碳電池的大規模應用提供了新思路。

論文資訊：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016576