南開學(xué)者研發(fā)“可呼吸”電池 有望成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源

近日，南開大學(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，需要高溫長時(shí)間加熱來克服擴(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(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Nature Chem.（2011, 3, 79; 2012, 4, 962）、Nature Commun.（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。研究成果被美國科學(xué)院院士、德州大學(xué)John Goodenough，美國科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)HJ Dai教授，美國工程院院士、麻省理工學(xué)院Karen Gleason教授，美國工程院院士、美國電化學(xué)會(huì)副主席、紐約大學(xué)石溪分校Esther S. Takeuchi教授，國際電化學(xué)權(quán)威學(xué)者英國南安普頓大學(xué)John R Owen教授等在學(xué)術(shù)期刊正面引用與評(píng)價(jià)，被《中國科學(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)了無機(jī)能源材料化學(xué)的發(fā)展。