综述：金属-CO2电池电解质：近期发展、优化策略与展望

《Carbon Neutralization》：Metal-CO2 Battery Electrolytes: Recent Developments, Strategies for Optimization, and Perspectives

本文系统评述了金属-CO2电池（MCBs）电解质的研究进展，重点探讨了液态、固态和半固态电解质的设计策略及其对电池性能（如离子电导率、CO2溶解度、电化学稳定性窗口）的影响，并提出了未来发展方向（如混合电解质设计、反应机理探索），为高性能MCBs的开发提供了重要参考。

　　

1 引言

温室气体二氧化碳（CO₂）引发的环境问题日益严峻，推动电催化CO₂还原反应（eCO₂RR）在污染物治理中的广泛应用。金属-CO₂电池（MCBs）作为传统燃料电池的替代技术，因其能将能量存储与eCO₂RR相结合而备受关注。电解质作为MCBs的核心组分，其性能直接影响电池的能量密度、循环寿命和安全性。然而，传统电解质存在易燃性、热稳定性差、低温性能不足等问题，难以同时满足高离子电导率、高CO₂溶解度、宽电化学稳定性窗口等要求。本文从电解质分类、优化策略及未来展望三方面系统梳理MCBs电解质的研究进展。

2 电解质分类

MCBs电解质可分为液态、固态和半固态三类。液态电解质包括水系和非水系（如碳酸酯、醚类、离子液体），具有高离子电导率（10^?3–10^?2S cm^?1），但存在窄电化学窗口和副反应问题。固态电解质（如NASICON型陶瓷、聚合物电解质）安全性高，但离子迁移受限。半固态电解质（如水凝胶、有机凝胶）结合液态和固态优势，兼具柔性和稳定性，是柔性器件的理想选择。

3 电解质工程

3.1 体相特性调控

通过调节电解质体相组成（如溶剂、盐浓度）可优化离子传输行为和溶剂化结构。例如，低浓度二甲亚砜（DMSO）电解质通过调控Li⁺溶剂化鞘，促进可溶性草酸根（C₂O₄^2?）生成，避免绝缘性Li₂CO₃沉积，提升反应动力学。熔盐电解质（如LiNO₃/KNO₃）凭借高温下的高离子导率和安全性，适用于高功率MCBs。

3.2 添加剂工程

添加剂通过界面调控、晶体结构修饰和氧化还原介体（RMs）机制提升性能。例如，溴化添加剂（Br-PPD）诱导形成富LiBr的固体电解质界面（SEI），抑制锂枝晶生长；镁掺杂NASICON电解质（Na_3.2Zr_1.9Mg_0.1Si₂PO₁₂）降低钠离子迁移能垒，离子电导率提升至1.16 mS cm^?1；卤化物介体（如LiBr、AlI₃)通过化学分解放电产物，降低充电过电位。

4 总结与展望

MCBs电解质研究虽取得进展，但仍需解决离子电导率与安全性的平衡、界面副反应等问题。未来应聚焦以下方向：

4.1 开发新型混合电解质：结合水系电解质的产物溶解能力与固态电解质的阳极保护作用，提升倍率性能和功率密度。

4.2 探索反应机理：利用原位表征技术和人工智能辅助理论模型，揭示多相界面反应路径和溶剂化结构-性能关系。

4.3 推动商业化应用：针对实际场景（如温室、热电厂）优化固态电解槽功率密度和稳定性，依托碳中和政策支持，加速MCBs的实用化进程。