南開大學研究“會呼吸”電池 有望成為下一代電動汽車安全動力電池
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。該項目屬于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制備與電化學儲鋰/鎂性能”的研究方面有所突破，對研發(fā)新型高比能、大功率、長壽命電化學能源系統(tǒng)，推動化學及其交叉學科的發(fā)展具有重要意義。 該系統(tǒng)應用于可充金屬鋰/鋅空氣電池，是目前循環(huán)壽命最長的高能量密度金屬鋅空氣電池，并具有高安全特性，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(tǒng)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(fā)電尾氣及火星探測等廣大領域，提供穩(wěn)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于空氣電極氧還原/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(wěn)定性俱佳的電催化劑，但其價格昂貴，資源稀缺，規(guī)模應用難，需要研制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。該類化合物通常采用傳統(tǒng)的固相燒結法制備，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(tǒng)高溫固相法難以實現尖晶石室溫合成的難題，提出并建立了“還原-氧化-轉化結晶”新方法，發(fā)展了無機固體材料的合成方法學，室溫制備了高活性氧還原/析出電催化尖晶石納米晶;采用尖晶石材料代替 Pt 電極，應用于可充金屬鋰/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(huán)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制備新策略有利于綠色制備、新能源利用和節(jié)能減排，開發(fā)的尖晶石納米材料可替代鉑基催化材料，為研制高效廉價、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(fā)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(fā)表綜述;4 項具有自主知識產權技術獲授權發(fā)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《中國科學基金》(201 5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(fā)展。
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