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中國(guó)在鋅-空氣電池研究方面獲得哪些進(jìn)展?

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2019年10月12日  

能源是人類(lèi)文明進(jìn)步和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái),隨著化石能源的逐漸消耗和日益突出的環(huán)境污染問(wèn)題,人類(lèi)對(duì)綠色、清潔、可再生能源的需求急劇增長(zhǎng)。水分解、燃料電池、金屬-空氣電池等高效、低成本能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)的開(kāi)發(fā)已成為研究的前沿領(lǐng)域。其中,鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì),理論能量高達(dá)1084Wh/kg,有望成為新一代儲(chǔ)能設(shè)備。根據(jù)使用需求,鋅-空氣電池可以做成一次電池、可充放電電池以及柔性電池。鋅-空氣電池的放電過(guò)程涉及氧還原反應(yīng)(ORR),而充電過(guò)程涉及析氧反應(yīng)(OER)。目前Pt基催化劑是優(yōu)良的ORR催化劑,Ir和Ru基催化劑在OER反應(yīng)中具有優(yōu)異的催化性能,但是鉑族元素在地殼中儲(chǔ)量稀少、價(jià)格昂貴,穩(wěn)定性差,且功能單一。因此,開(kāi)發(fā)低成本、高效、穩(wěn)定的非貴金屬催化劑對(duì)于鋅-空氣電池的商業(yè)化推廣具有重要意義。


單原子催化劑具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化劑結(jié)構(gòu)。近年來(lái),基于單原子催化劑的制備、表征和催化性能研究成為能源、材料和催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。非貴金屬的Fe基、Co基、Ni基、Mn基單原子催化劑顯示出優(yōu)異的電催化性能,有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。特別是Fe基單原子催化劑在堿性條件下的ORR反應(yīng)中具有優(yōu)于Pt基催化劑的性能,表現(xiàn)出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴(kuò)散電流密度。


近日,在中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫春文研究員課題組,韓軍興副研究員等人基于金屬一有機(jī)框架材料(MOF)包覆和高溫裂解技術(shù)成功制備了單原子Fe基催化劑。該工作以二價(jià)的FeSO4作為Fe前軀體;1,10-鄰菲羅啉作為有機(jī)配體(Phen),通過(guò)與Fe2+離子配位形成有機(jī)復(fù)合物(Fe-Phen)。在MOF晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,有機(jī)復(fù)合物分子(Fe-Phen)被原位包覆在具有分子尺寸的納米腔體中,彼此被MOF骨架隔離開(kāi)。在Ar氣氛下經(jīng)過(guò)900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應(yīng)中的半波電位高達(dá)0.91V,比傳統(tǒng)的Pt/C催化劑高90mV,并且優(yōu)于目前文獻(xiàn)中報(bào)道的絕大多數(shù)催化劑;電化學(xué)活性表面積約是商業(yè)Pt/C催化劑的兩倍。將單原子Fe基催化劑用作一次鋅-空氣電池的正極催化劑,電池開(kāi)路電壓高達(dá)1.51V,優(yōu)于Pt/C催化劑(1.45V);功率密度達(dá)到96.4mWcm-2;以10mAcm-2的電流密度進(jìn)行放電,一次鋅-空氣電池可以在1.28V的放電電壓下穩(wěn)定運(yùn)行2000min以上。


圖1.a)一次鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖;b)不同催化劑制備的電池的開(kāi)路電壓隨時(shí)間的變化曲線;c)電池功率密度特性;d)電池放電曲線;e)在10mAcm-2的電流密度下電池恒流放電曲線;f)展示鋅-空氣電池可以為電子手表供電。


除了表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR催化性能外,單原子Fe基催化劑還具有較好的雙功能(ORR/OER)催化特性,Ej10與E1/2的電位差為0.92V,小于貴金屬?gòu)?fù)合催化劑(Pt/C+RuO2)的(0.94V)。將單原子Fe基催化劑用作可充放電鋅-空氣電池的正極,鋅-空氣電池在10mAcm-2的電流密度下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)250h。將單原子Fe催化劑用作柔性可折疊鋅-空氣電池的正極,電池在1mAcm-2的電流密度下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)120h。


圖2.a)柔性可折疊鋅-空氣電池示意圖;b)在1mAcm-2的電流密度下電池充放電曲線;c)柔性鋅-空氣電池的折疊性能測(cè)試;d)串聯(lián)的兩組柔性鋅-空氣電池為發(fā)光二極管陣列供電。


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