南开学者研发“可呼吸”电池 有望成为电动汽车动力源

近日，南开大学化学学院教授陈军团队项目“微纳结构与电化学能源器件”获得天津市自然科学一等奖。该项目属于无机能源材料化学领域，在“尖晶石微纳结构的可控制备与电催化性能”以及“微纳结构电极材料的设计制备与电化学储锂/镁性能”的研究方面有所突破，对研发新型高比能、大功率、长寿命电化学能源系统，推动化学及其交叉学科的发展具有重要意义。 该系统应用于可充金属锂/锌空气电池，是目前循环寿命最长的高能量密度金属锌空气电池，并具有高安全特性，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

可充“金属—空气电池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等轻质活泼金属为负极，以碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极为正极，放电时从空气中获取氧气，充电时再释放出氧气，因此被誉为“可呼吸”电池。 金属空气电池具有超高理论能量密度，电极活性物质廉价易得，特别是利用CO2作为活性材料来取代氧气产生电能，意味着该电池系统有望在CO2富集的地方，如动物及人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气及火星探测等广大领域，提供稳定的能量源泉，因此作为“下一代绿色高比能电池”而被看好。然而，金属空气电池实际性能受限于空气电极氧还原/氧析出的反应动力学，需要使用电催化剂提高反应效率。铂族贵金属及其合金是催化活性和稳定性俱佳的电催化剂，但其价格昂贵，资源稀缺，规模应用难，需要研制廉价非贵金属基替代材料。

尖晶石型氧化物是一类重要的功能材料，在电、磁、催化、能源等领域具有广泛用途，也是潜在的金属空气电池电催化剂。该类化合物通常采用传统的固相烧结法制备，需要高温长时间加热来克服扩散阻力和反应能垒，耗能耗时，虽然所得产物的结晶性能较好，但成分容易偏析，组成和形貌难以调控，粒径大，比表面积小，反应活性低，限制了其在电催化、储能等方面的应用。陈军团队针对传统高温固相法难以实现尖晶石室温合成的难题，提出并建立了“还原-氧化-转化结晶”新方法，发展了无机固体材料的合成方法学，室温制备了高活性氧还原/析出电催化尖晶石纳米晶；采用尖晶石材料代替Pt电极，应用于可充金属锂/锌空气电池，其中锌空气电池能量密度达到335 Wh/kg，是目前循环寿命最长的高能量密度金属空气电池，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

据了解，项目所提出的尖晶石纳米晶制备新策略有利于绿色制备、新能源利用和节能减排，开发的尖晶石纳米材料可替代铂基催化材料，为研制高效廉价、新型大容量长寿命的金属空气电池提供了新思路。相关研究成果发表在Nature Chem.（2011, 3, 79; 2012, 4, 962）、Nature Commun.（2015, 6, 7345）、Angew. Chem. Int. Ed.（2015, 54, 4338）等学术期刊上，受邀在Chem. Soc. Rev.（2015，44，699）发表综述；4项具有自主知识产权技术获授权发明专利保护，2项专利已实施转化。研究成果被美国科学院院士、德州大学John Goodenough，美国科学院院士、斯坦福大学HJ Dai教授，美国工程院院士、麻省理工学院Karen Gleason教授，美国工程院院士、美国电化学会副主席、纽约大学石溪分校Esther S. Takeuchi教授，国际电化学权威学者英国南安普顿大学John R Owen教授等在学术期刊正面引用与评价，被《中国科学基金》（2015第29卷第5期）作为亮点研究进展和封面成果进行介绍。项目成果有力地推动了无机能源材料化学的发展。