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探討南開(kāi)學(xué)者研發(fā)“可呼吸”電池

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:819次  |  2018年07月11日  

南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“微納結(jié)構(gòu)與電化學(xué)能源器件”獲得天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目屬于無(wú)機(jī)能源材料化學(xué)領(lǐng)域,在“尖晶石微納結(jié)構(gòu)的可控制備與電催化性能”以及“微納結(jié)構(gòu)電極材料的設(shè)計(jì)制備與電化學(xué)儲(chǔ)鋰/鎂性能”的研究方面有所突破,對(duì)研發(fā)新型高比能、大功率、長(zhǎng)壽命電化學(xué)能源系統(tǒng),推動(dòng)化學(xué)及其交叉學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。該系統(tǒng)應(yīng)用于可充金屬鋰/鋅空氣電池,是目前循環(huán)壽命最長(zhǎng)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(dòng)汽車的安全動(dòng)力電池

可充“金屬—空氣電池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等輕質(zhì)活潑金屬為負(fù)極,以碳、貴金屬或過(guò)渡金屬氧化物等構(gòu)成的空氣電極為正極,放電時(shí)從空氣中獲取氧氣,充電時(shí)再釋放出氧氣,因此被譽(yù)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(zhì)廉價(jià)易得,特別是利用CO2作為活性材料來(lái)取代氧氣產(chǎn)生電能,意味著該電池系統(tǒng)有望在CO2富集的地方,如動(dòng)物及人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發(fā)電尾氣及火星探測(cè)等廣大領(lǐng)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(shí)際性能受限于空氣電極氧還原/氧析出的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),需要使用電催化劑提高反應(yīng)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(jià)格昂貴,資源稀缺,規(guī)模應(yīng)用難,需要研制廉價(jià)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(lǐng)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(jié)法制備,需要高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱來(lái)克服擴(kuò)散阻力和反應(yīng)能壘,耗能耗時(shí),雖然所得產(chǎn)物的結(jié)晶性能較好,但成分容易偏析,組成和形貌難以調(diào)控,粒徑大,比表面積小,反應(yīng)活性低,限制了其在電催化、儲(chǔ)能等方面的應(yīng)用。陳軍團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)高溫固相法難以實(shí)現(xiàn)尖晶石室溫合成的難題,提出并建立了“還原-氧化-轉(zhuǎn)化結(jié)晶”新方法,發(fā)展了無(wú)機(jī)固體材料的合成方法學(xué),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(yīng)用于可充金屬鋰/鋅空氣電池,其中鋅空氣電池能量密度達(dá)到335Wh/kg,是目前循環(huán)壽命最長(zhǎng)的高能量密度金屬空氣電池,有望成為下一代電動(dòng)汽車的安全動(dòng)力電池。

據(jù)了解,項(xiàng)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(kāi)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(jià)、新型大容量長(zhǎng)壽命的金屬空氣電池提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在NatureChem.(2011,3,79;2012,4,962)、NatureCommun.(2015,6,7345)、Angew.Chem.Int.Ed.(2015,54,4338)等學(xué)術(shù)期刊上,受邀在Chem.Soc.Rev.(2015,44,699)發(fā)表綜述;4項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)獲授權(quán)發(fā)明專利保護(hù),2項(xiàng)專利已實(shí)施轉(zhuǎn)化。研究成果被美國(guó)科學(xué)院院士、德州大學(xué)JohnGoodenough,美國(guó)科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)HJDai教授,美國(guó)工程院院士、麻省理工學(xué)院KarenGleason教授,美國(guó)工程院院士、美國(guó)電化學(xué)會(huì)副主席、紐約大學(xué)石溪分校EstherS.Takeuchi教授,國(guó)際電化學(xué)權(quán)威學(xué)者英國(guó)南安普頓大學(xué)JohnROwen教授等在學(xué)術(shù)期刊正面引用與評(píng)價(jià),被《中國(guó)科學(xué)基金》(2015第29卷第5期)作為亮點(diǎn)研究進(jìn)展和封面成果進(jìn)行介紹。項(xiàng)目成果有力地推動(dòng)了無(wú)機(jī)能源材料化學(xué)的發(fā)展。

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