電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道，澳大利亞莫納什大學(xué)材料與能源科學(xué)團(tuán)隊(duì)在鋅空氣電池領(lǐng)域有突破性進(jìn)展，其研發(fā)的復(fù)合催化劑讓可充電鋅空氣電池的循環(huán)壽命達(dá)到新高度。

這項(xiàng)發(fā)表于《化學(xué)工程雜志》的研究成果，刷新了該類電池的穩(wěn)定運(yùn)行紀(jì)錄，在74天內(nèi)完成3552次充放電循環(huán)后性能依舊穩(wěn)定，還通過創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)為清潔能源存儲(chǔ)技術(shù)開辟了新道路。

鋅空氣電池自誕生就因理論能量密度高（可達(dá)鋰離子電池5倍以上）、安全性好（使用水性電解液）等特點(diǎn)受關(guān)注。但傳統(tǒng)鋅空氣電池一直受氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）緩慢動(dòng)力學(xué)問題困擾。這兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)效率決定電池充放電速率和循環(huán)壽命，傳統(tǒng)貴金屬催化劑（如鉑、釕）雖能加速反應(yīng)，卻存在成本高、資源稀缺、功能單一等問題。莫納什大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過材料創(chuàng)新解決了這一難題。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型復(fù)合催化劑，核心是構(gòu)建了鈷鐵雙金屬單原子嵌入二維氮摻雜碳納米片的結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特二維架構(gòu)增加了活性位點(diǎn)暴露面積，通過氮原子配位作用優(yōu)化了電子傳輸路徑。

制備時(shí)，科研人員用熔鹽輔助熱解法，把三維鈷鐵框架轉(zhuǎn)化為超薄碳片，讓鈷、鐵原子以單原子形式均勻嵌入碳基體。這種原子級(jí)分散策略實(shí)現(xiàn)了材料高效利用，通過金屬原子間協(xié)同效應(yīng)提升了催化活性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該催化劑在氧還原反應(yīng)中半波電位達(dá)0.82V，析氧反應(yīng)過電位僅270mV，性能超傳統(tǒng)鉑基催化劑。在電池性能測(cè)試中，搭載該催化劑的鋅空氣電池穩(wěn)定性驚人。在230mW/cm2功率密度下持續(xù)充放電74天，電池容量衰減率不足0.5%，循環(huán)效率保持在98%以上。超長(zhǎng)壽命得益于催化劑對(duì)副反應(yīng)的有效抑制。

傳統(tǒng)鋅空氣電池循環(huán)中易產(chǎn)生鋅枝晶和碳酸鹽沉積，導(dǎo)致電極堵塞和內(nèi)阻增加。而新型催化劑優(yōu)化氧反應(yīng)路徑，降低了析氫等副反應(yīng)發(fā)生概率，抑制了電解液分解產(chǎn)物生成。

密度泛函理論計(jì)算表明，鈷鐵原子與氮摻雜碳的強(qiáng)相互作用，調(diào)節(jié)了反應(yīng)中間體吸附能，讓反應(yīng)更趨近熱力學(xué)平衡。這項(xiàng)技術(shù)突破對(duì)清潔能源應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。鋅空氣電池原料鋅儲(chǔ)量豐富（地殼含量0.0075%，是鋰的150倍），生產(chǎn)過程碳排放僅為鋰離子電池的1/3。

若規(guī)?；瘧?yīng)用，能緩解電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能對(duì)稀有金屬的依賴。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)算，采用該催化劑的鋅空氣電池系統(tǒng)，理論成本可降至每千瓦時(shí)50美元以下，遠(yuǎn)低于當(dāng)前鋰電系統(tǒng)的150美元成本線。

更重要的是，電池在極端環(huán)境下穩(wěn)定性好，在 -20℃至60℃范圍內(nèi)能保持90%以上初始性能，為極地科考站、深海探測(cè)設(shè)備等特殊場(chǎng)景能源供應(yīng)提供新方案。技術(shù)轉(zhuǎn)化正在加速。

研究團(tuán)隊(duì)已和多家能源企業(yè)達(dá)成合作意向，計(jì)劃兩年內(nèi)完成從實(shí)驗(yàn)室到中試的跨越。商業(yè)化路徑上，團(tuán)隊(duì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，單個(gè)電池單元尺寸可定制為5 × 5 × 1cm3，通過串聯(lián)組合能滿足不同功率需求。

和現(xiàn)有鋰電系統(tǒng)相比，鋅空氣電池優(yōu)勢(shì)是機(jī)械充電模式，更換鋅電極可快速補(bǔ)能，適合物流運(yùn)輸、應(yīng)急電源等需要快速周轉(zhuǎn)的場(chǎng)景。據(jù)測(cè)算，搭載該技術(shù)的電動(dòng)卡車?yán)m(xù)航里程可超1500公里，充電時(shí)間縮短至傳統(tǒng)鋰電池的1/5。

該成果引發(fā)國(guó)際學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專家稱，這種原子級(jí)精準(zhǔn)材料設(shè)計(jì)策略為多相催化劑開發(fā)提供了新范式。德國(guó)弗勞恩霍夫研究所后續(xù)研究顯示，該催化體系在燃料電池領(lǐng)域性能卓越，氫氧反應(yīng)效率較傳統(tǒng)催化劑提升40%。更令人振奮的是，研究團(tuán)隊(duì)已驗(yàn)證該技術(shù)可兼容海水直接作為電解液，為海洋能源開發(fā)帶來新可能。

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