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量器件”荣获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”和“微纳结构电极材料的设计与制备及电化学锂/镁储能性能”的研究方面取得突破，这对于开发高比能、高功率、长寿命的新型电化学能源系统，促进化学及其跨学科的发展具有重要意义。该系统应用于可充电锂/锌-空气电池，是目前循环寿命最长的高能量密度金属锌-空气蓄电池，具有较高的安全特性，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

可充电“金属-空气电池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等轻活性金属为负极，以碳、贵金属或过渡金属氧化物制成的空气电极为正极。它在放电时从空气中获取氧气，在充电时释放氧气，因此被称为“透气”电池。金属空气电池具有超高的理论能量密度，并且电极活性材料便宜且易于获得。特别是，CO2被用作替代氧气发电的活性材料，这意味着电池系统有望在动物和人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气和火星探测等二氧化碳丰富的地方提供稳定的能源。因此，它被认为是“下一代绿色高比能电池”。然而，金属-空气电池的实际性能受到空气电极处氧还原/氧沉淀的反应动力学的限制，需要电催化剂来提高反应效率。铂族贵金属及其合金是一种具有良好催化活性和稳定性的电催化剂，但价格昂贵，资源稀缺，难以大规模应用，因此有必要开发廉价的非贵金属基替代材料。

尖晶石氧化物是一种重要的功能材料，广泛应用于电、磁、催化、能源等领域，也是金属-空气电池的潜在电催化剂。这些化合物通常通过传统的固态烧结方法制备，需要高温和长时间的加热才能克服扩散阻力和反应能垒。尽管所获得的产物结晶性能良好，但组分容易分离，组成和形态难以控制，颗粒尺寸大，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。陈军团队提出并建立了“还原-氧化-转化-结晶”的新方法，以解决传统高温固态方法难以在室温下合成尖晶石的问题，开发了无机固体材料的合成方法，并在室温下制备了高活性氧还原/沉淀电催化尖晶石纳米晶体。使用尖晶石材料代替Pt电极，应用于可充电锂/锌空气电池，其中锌空气电池的能量密度达到335Wh/kg，是目前循环寿命最长的金属空气电池，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

据了解，该项目提出的尖晶石纳米晶体新制备策略有利于绿色制备、新能源利用和节能减排。所开发的尖晶石纳米材料可以取代铂基催化材料，为开发高效、低成本、大容量、长寿命的新型金属空气电池提供了新思路。相关研究成果发表在《自然化学》杂志上。(2011, 3, 79;

2012年，4962），自然公社。（2015年，67345），Angew。Chem.int.ed.（2015544338）和其他学术期刊受邀参加《化学》。Soc.修订版（2015年，44699）。四项具有自主知识产权的技术被授予发明专利保护，两项专利被转化。研究成果得到了美国科学院、得克萨斯大学的John Goodenough、美国科学院，斯坦福大学的HJ Dai教授、美国工程院、麻省理工学院的Karen Gleason教授、美国电化学学会副主席Esther S。纽约石溪大学竹内教授，国际权威电化学学者John R Owen教授，在学术期刊上被引用和评价，并被中国科学基金会（Vol.292015年第5期）介绍为重点研究进展和封面成果。该项目的成果有力地推动了无机能源材料化学的发展。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量器件”荣获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”和“微纳结构电极材料的设计与制备及电化学锂/镁储能性能”的研究方面取得突破，这对于开发高比能、高功率、长寿命的新型电化学能源系统，促进化学及其跨学科的发展具有重要意义。该系统应用于可充电锂/锌-空气电池，是目前循环寿命最长的高能量密度金属锌-空气蓄电池，具有较高的安全特性，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

可充电“金属-空气电池”以Li、Na、Mg、Al、Zn等轻活性金属为负极，以碳、贵金属或过渡金属氧化物制成的空气电极为正极。它在放电时从空气中获取氧气，在充电时释放氧气，因此被称为“透气”电池。金属空气电池具有超高的理论能量密度，并且电极活性材料便宜且易于获得。特别是，CO2被用作替代氧气发电的活性材料，这意味着电池系统有望在动物和人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气和火星探测等二氧化碳丰富的地方提供稳定的能源。因此，它被认为是“下一代绿色高比能电池”。然而，金属-空气电池的实际性能受到空气电极处氧还原/氧沉淀的反应动力学的限制，需要电催化剂来提高反应效率。铂族贵金属及其合金是一种具有良好催化活性和稳定性的电催化剂，但价格昂贵，资源稀缺，难以大规模应用，因此有必要开发廉价的非贵金属基替代材料。

尖晶石氧化物是一种重要的功能材料，广泛应用于电、磁、催化、能源等领域，也是金属-空气电池的潜在电催化剂。这些化合物通常通过传统的固态烧结方法制备，需要高温和长时间的加热才能克服扩散阻力和反应能垒。尽管所获得的产物结晶性能良好，但组分容易分离，组成和形态难以控制，颗粒尺寸大，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。陈军团队提出并建立了“还原-氧化-转化-结晶”的新方法，以解决传统高温固态方法难以在室温下合成尖晶石的问题，开发了无机固体材料的合成方法，并在室温下制备了高活性氧还原/沉淀电催化尖晶石纳米晶体。使用尖晶石材料代替Pt电极，应用于可充电锂/锌空气电池，……

其中锌空气电池的能量密度达到335Wh/kg，是目前循环寿命最长的金属空气电池，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

据了解，该项目提出的尖晶石纳米晶体新制备策略有利于绿色制备、新能源利用和节能减排。所开发的尖晶石纳米材料可以取代铂基催化材料，为开发高效、低成本、大容量、长寿命的新型金属空气电池提供了新思路。相关研究成果发表在《自然化学》杂志上。（2011年，3，79；2012年，4962），自然公社。（2015年，67345），Angew。Chem.int.ed.（2015544338）和其他学术期刊受邀参加《化学》。Soc.修订版（2015年，44699）。四项具有自主知识产权的技术被授予发明专利保护，两项专利被转化。研究成果得到了美国科学院、得克萨斯大学的John Goodenough、美国科学院，斯坦福大学的HJ Dai教授、美国工程院、麻省理工学院的Karen Gleason教授、美国电化学学会副主席Esther S。纽约石溪大学竹内教授，国际权威电化学学者John R Owen教授，在学术期刊上被引用和评价，并被中国科学基金会（Vol.292015年第5期）介绍为重点研究进展和封面成果。该项目的成果有力地推动了无机能源材料化学的发展。

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