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什么是金屬鋅空氣電池?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年12月11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。該系統應用于可充金屬鋰/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,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335Wh/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制備新策略有利于綠色制備、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。相關研究成果發表在NatureChem.(2011,3,79;2012,4,962)、NatureCommun.(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JohnGoodenough,美國科學院院士、斯坦福大學HJDai教授,美國工程院院士、麻省理工學院KarenGleason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EstherS.Takeuchi教授,國際電化學權威學者英國南安普頓大學JohnROwen教授等在學術期刊正面引用與評價,被《中國科學基金》(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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