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南開學者研發「可呼吸」電池,有望成為電動汽車動力源

南開學者研發「可呼吸」電池,有望成為電動汽車動力源

近日,南開大學化學學院教授陳軍團隊項目「微納結構與電化學能源器件」獲得天津市自然科學一等獎。該項目屬於無機能源材料化學領域,在「尖晶石微納結構的可控制備與電催化性能」以及「微納結構電極材料的設計製備與電化學儲鋰/鎂性能」的研究方面有所突破,對研發新型高比能、大功率、長壽命電化學能源系統,推動化學及其交叉學科的發展具有重要意義。 該系統應用於可充金屬鋰/鋅空氣電池,是目前循環壽命最長的高能量密度金屬鋅空氣電池,並具有高安全特性,有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

可充「金屬—空氣電池」以Li、Na、Mg、Al、Zn等輕質活潑金屬為負極,以碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構成的空氣電極為正極,放電時從空氣中獲取氧氣,充電時再釋放出氧氣,因此被譽為「可呼吸」電池。 金屬空氣電池具有超高理論能量密度,電極活性物質廉價易得,特別是利用CO2作為活性材料來取代氧氣產生電能,意味著該電池系統有望在CO2富集的地方,如動物及人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發電尾氣及火星探測等廣大領域,提供穩定的能量源泉,因此作為「下一代綠色高比能電池」而被看好。然而,金屬空氣電池實際性能受限於空氣電極氧還原/氧析出的反應動力學,需要使用電催化劑提高反應效率。鉑族貴金屬及其合金是催化活性和穩定性俱佳的電催化劑,但其價格昂貴,資源稀缺,規模應用難,需要研製廉價非貴金屬基替代材料。

尖晶石型氧化物是一類重要的功能材料,在電、磁、催化、能源等領域具有廣泛用途,也是潛在的金屬空氣電池電催化劑。該類化合物通常採用傳統的固相燒結法製備,需要高溫長時間加熱來克服擴散阻力和反應能壘,耗能耗時,雖然所得產物的結晶性能較好,但成分容易偏析,組成和形貌難以調控,粒徑大,比表面積小,反應活性低,限制了其在電催化、儲能等方面的應用。陳軍團隊針對傳統高溫固相法難以實現尖晶石室溫合成的難題,提出並建立了「還原-氧化-轉化結晶」新方法,發展了無機固體材料的合成方法學,室溫製備了高活性氧還原/析出電催化尖晶石納米晶;採用尖晶石材料代替Pt電極,應用於可充金屬鋰/鋅空氣電池,其中鋅空氣電池能量密度達到335 Wh/kg,是目前循環壽命最長的高能量密度金屬空氣電池,有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

據了解,項目所提出的尖晶石納米晶製備新策略有利於綠色製備、新能源利用和節能減排,開發的尖晶石納米材料可替代鉑基催化材料,為研製高效廉價、新型大容量長壽命的金屬空氣電池提供了新思路。相關研究成果發表在Nature Chem.(2011, 3, 79; 2012, 4, 962)、Nature Commun.(2015, 6, 7345)、Angew. Chem. Int. Ed.(2015, 54, 4338)等學術期刊上,受邀在Chem. Soc. Rev.(2015,44,699)發表綜述;4項具有自主知識產權技術獲授權發明專利保護,2項專利已實施轉化。研究成果被美國科學院院士、德州大學John Goodenough,美國科學院院士、斯坦福大學HJ Dai教授,美國工程院院士、麻省理工學院Karen Gleason教授,美國工程院院士、美國電化學會副主席、紐約大學石溪分校Esther S. Takeuchi教授,國際電化學權威學者英國南安普頓大學John R Owen教授等在學術期刊正面引用與評價,被《科學基金》(2015第29卷第5期)作為亮點研究進展和封面成果進行介紹。項目成果有力地推動了無機能源材料化學的發展。

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