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量器件”榮獲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”和“微納結構電極材料的設計與制備及電化學鋰/鎂儲能性能”的研究方面取得突破，這對于開發高比能、高功率、長壽命的新型電化學能源系統，促進化學及其跨學科的發展具有重要意義。該系統應用于可充電鋰/鋅-空氣電池，是目前循環壽命最長的高能量密度金屬鋅-空氣蓄電池，具有較高的安全特性，有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

可充電“金屬-空氣電池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等輕活性金屬為負極，以碳、貴金屬或過渡金屬氧化物制成的空氣電極為正極。它在放電時從空氣中獲取氧氣，在充電時釋放氧氣，因此被稱為“透氣”電池。金屬空氣電池具有超高的理論能量密度，并且電極活性材料便宜且易于獲得。特別是，CO2被用作替代氧氣發電的活性材料，這意味著電池系統有望在動物和人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發電尾氣和火星探測等二氧化碳豐富的地方提供穩定的能源。因此，它被認為是“下一代綠色高比能電池”。然而，金屬-空氣電池的實際性能受到空氣電極處氧還原/氧沉淀的反應動力學的限制，需要電催化劑來提高反應效率。鉑族貴金屬及其合金是一種具有良好催化活性和穩定性的電催化劑，但價格昂貴，資源稀缺，難以大規模應用，因此有必要開發廉價的非貴金屬基替代材料。

尖晶石氧化物是一種重要的功能材料，廣泛應用于電、磁、催化、能源等領域，也是金屬-空氣電池的潛在電催化劑。這些化合物通常通過傳統的固態燒結方法制備，需要高溫和長時間的加熱才能克服擴散阻力和反應能壘。盡管所獲得的產物結晶性能良好，但組分容易分離，組成和形態難以控制，顆粒尺寸大，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。陳軍團隊提出并建立了“還原-氧化-轉化-結晶”的新方法，以解決傳統高溫固態方法難以在室溫下合成尖晶石的問題，開發了無機固體材料的合成方法，并在室溫下制備了高活性氧還原/沉淀電催化尖晶石納米晶體。使用尖晶石材料代替Pt電極，應用于可充電鋰/鋅空氣電池，其中鋅空氣電池的能量密度達到335Wh/kg，是目前循環壽命最長的金屬空氣電池，有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

據了解，該項目提出的尖晶石納米晶體新制備策略有利于綠色制備、新能源利用和節能減排。所開發的尖晶石納米材料可以取代鉑基催化材料，為開發高效、低成本、大容量、長壽命的新型金屬空氣電池提供了新思路。相關研究成果發表在《自然化學》雜志上。(2011, 3, 79;

2012年，4962），自然公社。（2015年，67345），Angew。Chem.int.ed.（2015544338）和其他學術期刊受邀參加《化學》。Soc.修訂版（2015年，44699）。四項具有自主知識產權的技術被授予發明專利保護，兩項專利被轉化。研究成果得到了美國科學院、得克薩斯大學的John Goodenough、美國科學院，斯坦福大學的HJ Dai教授、美國工程院、麻省理工學院的Karen Gleason教授、美國電化學學會副主席Esther S。紐約石溪大學竹內教授，國際權威電化學學者John R Owen教授，在學術期刊上被引用和評價，并被中國科學基金會（Vol.292015年第5期）介紹為重點研究進展和封面成果。該項目的成果有力地推動了無機能源材料化學的發展。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量器件”榮獲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”和“微納結構電極材料的設計與制備及電化學鋰/鎂儲能性能”的研究方面取得突破，這對于開發高比能、高功率、長壽命的新型電化學能源系統，促進化學及其跨學科的發展具有重要意義。該系統應用于可充電鋰/鋅-空氣電池，是目前循環壽命最長的高能量密度金屬鋅-空氣蓄電池，具有較高的安全特性，有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

可充電“金屬-空氣電池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等輕活性金屬為負極，以碳、貴金屬或過渡金屬氧化物制成的空氣電極為正極。它在放電時從空氣中獲取氧氣，在充電時釋放氧氣，因此被稱為“透氣”電池。金屬空氣電池具有超高的理論能量密度，并且電極活性材料便宜且易于獲得。特別是，CO2被用作替代氧氣發電的活性材料，這意味著電池系統有望在動物和人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發電尾氣和火星探測等二氧化碳豐富的地方提供穩定的能源。因此，它被認為是“下一代綠色高比能電池”。然而，金屬-空氣電池的實際性能受到空氣電極處氧還原/氧沉淀的反應動力學的限制，需要電催化劑來提高反應效率。鉑族貴金屬及其合金是一種具有良好催化活性和穩定性的電催化劑，但價格昂貴，資源稀缺，難以大規模應用，因此有必要開發廉價的非貴金屬基替代材料。

尖晶石氧化物是一種重要的功能材料，廣泛應用于電、磁、催化、能源等領域，也是金屬-空氣電池的潛在電催化劑。這些化合物通常通過傳統的固態燒結方法制備，需要高溫和長時間的加熱才能克服擴散阻力和反應能壘。盡管所獲得的產物結晶性能良好，但組分容易分離，組成和形態難以控制，顆粒尺寸大，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。陳軍團隊提出并建立了“還原-氧化-轉化-結晶”的新方法，以解決傳統高溫固態方法難以在室溫下合成尖晶石的問題，開發了無機固體材料的合成方法，并在室溫下制備了高活性氧還原/沉淀電催化尖晶石納米晶體。使用尖晶石材料代替Pt電極，應用于可充電鋰/鋅空氣電池，……

其中鋅空氣電池的能量密度達到335Wh/kg，是目前循環壽命最長的金屬空氣電池，有望成為下一代電動汽車的安全動力電池。

據了解，該項目提出的尖晶石納米晶體新制備策略有利于綠色制備、新能源利用和節能減排。所開發的尖晶石納米材料可以取代鉑基催化材料，為開發高效、低成本、大容量、長壽命的新型金屬空氣電池提供了新思路。相關研究成果發表在《自然化學》雜志上。（2011年，3，79；2012年，4962），自然公社。（2015年，67345），Angew。Chem.int.ed.（2015544338）和其他學術期刊受邀參加《化學》。Soc.修訂版（2015年，44699）。四項具有自主知識產權的技術被授予發明專利保護，兩項專利被轉化。研究成果得到了美國科學院、得克薩斯大學的John Goodenough、美國科學院，斯坦福大學的HJ Dai教授、美國工程院、麻省理工學院的Karen Gleason教授、美國電化學學會副主席Esther S。紐約石溪大學竹內教授，國際權威電化學學者John R Owen教授，在學術期刊上被引用和評價，并被中國科學基金會（Vol.292015年第5期）介紹為重點研究進展和封面成果。該項目的成果有力地推動了無機能源材料化學的發展。

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