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上海硅酸鹽所在空氣正極結構設計和催化調控方面取得系列進展
發布時間:2021-06-27

  鋰氧氣電池是利用鋰金屬和空氣中的氧氣實現化學能-電能直接轉換的清潔儲能體系。根據鋰金屬質量計算的二次鋰氧氣電池的理論能量密度高達11400W·h/kg,接近于汽油的能量密度(13000W·h/kg),這是將其應用于新能源汽車動力電池的研究驅動力。如果計入來自于空氣反應物氧氣的質量,其理論能量密度為3505W·h/kg(Li2O2),實現的能量密度預計可達到600W·h/kg以上,應用于新能源汽車可使得一次充電續航里程達到500~800km,可作為實現我國提出的新能源汽車動力電池發展目標的一種重要的電化學儲能體系??諝庹龢O對鋰氧氣電池的性能起著關鍵作用,但其穩定性差和能量效率低的問題亟待解決。

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心張濤研究員團隊在空氣正極結構設計和催化調控方面取得系列進展,基于“金屬納米鉆”技術制備出嵌合納米金屬釕的自支撐碳基空氣正極。該團隊通過精確控制金屬催化劑在碳載體中的嵌入位置,可控調節了碳與金屬催化劑的接觸界面及嵌合催化劑的電子結構。通過同步輻射及第一性原理計算驗證了碳微米管和釕顆粒間存在著明顯的電荷轉移,局部嵌入的納米釕顆粒表現出梯度催化特性。將該材料用于鋰氧氣電池空氣正極,可調控空氣正極的放電產物形貌,在不同放電深度下得到納米片及薄膜-環狀產物復合的放電產物。此空氣正極在3500mAh/g的大容量循環中實現了較高能量效率(≥ 80 %)。該成果突破了空氣正極單一固相催化劑ORR和OER催化活性難以兼顧的瓶頸,為鋰氧氣電池的空氣正極設計提供了一條新思路。相關研究成果以“Chimerism of Carbon by Ruthenium Induces Gradient Catalysis”為題發表在Advanced Functional Materials, 2021, 202104011, 并被選為“Hot Topic: Carbon, Graphite and Graphene”。該研究成果已申請一項國家發明專利,第一作者為孫壯助理研究員,通訊作者為張濤研究員。

  “金屬納米鉆”是該團隊提出的一種金屬輔助化學刻蝕技術。針對碳載體中孔結構難以精確調控的難題,該團隊提出將金屬催化劑與碳活化結合的構想,通過引入非貴金屬(如鎳)或貴金屬(如釕)一方面可實現對SP2/SP3碳材料進行催化刻蝕,得到從介孔到大孔的分級多孔碳載體;另一方面通過調控碳載體中嵌入的納米金屬的位置,制備出一體化的碳/限域金屬催化劑復合材料。相關研究成果以“Metal nano-drills directionally regulate pore structure in carbon”為題發表在Carbon, 2021, 175, 60-68。該研究成果已申請兩項國家發明專利,共同第一作者為楊楚舒博士生和孫壯助理研究員,通訊作者為張濤研究員。

  以上研究工作得到了國家自然科學基金面上和青年基金項目、上海市科委科技創新行動計劃高新技術領域項目及國家重點實驗室主任基金等項目的資助和支持。

  附文章鏈接:

    https://doi.org/10.1002/adfm.202104011 

    https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.065 

 

    “金屬納米鉆”示意圖           釕局部嵌入碳復合材料的光譜及電荷轉移示意圖

 
 
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