我校乔锦丽教授团队在锌空气电池领域取得研究新突破

发布时间:2019-08-23发布部门:环境科学与工程学院

主题:   主讲人:   地点:   时间:   组织单位:   

近日,我校环境科学与工程学院乔锦丽教授团队在锌空气电池领域取得新突破,相关成果以《Co/Mn双金属耦合催化剂及碱性阴离子交换膜实现高性能可充电/柔性锌空气电池组件》(High-performing Rechargeable/FlexibleZinc-air Batteries by Coordinated Hierarchical Bi-metallic Electrocatalyst andHeterostructure Anion Exchange Membrane)为题,发表于能源领域著名期刊《Nano Energy》(影响因子15.548),该论文第一作者是环境科学与工程学院徐能能博士。这也是课题组今年在该期刊上连续发表的第三篇研究成果。

随着能源危机与环境污染日趋严重,清洁能源引起人们的广泛关注。其中,锌空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度,并有望实现在能源转化与储存领域的广泛应用,成为了下一代清洁能源的候选者。然而,锌空气电池的开发主要受限于以下两个方面:空气电极缓慢的反应动力学和高性能固态电解质的开发。因此,如何成功解决以上两大问题是目前很多研究工作者的主要内容。

 

   ( (a)催化剂合成示意图; (b) 碱性阴离子交换膜合成示意图)

课题组针对以上方面开展了相关研究,在碳载钴/锰双金属氧化物双功能催化剂以及高性能碱性阴离子交换膜的基础上,通过有效调控Co原子掺杂,成功激活了二氧化锰(110)晶面的Mn原子双功能活性;进一步地,小组成员通过在壳聚糖基碱性阴离子交换膜中引入GO,成功制备出高电导率(>0.1S cm-1)、柔韧性以及高机械强度的Chitosan/EMImC-Co-EP/GO阴离子交换膜。其构建的柔性锌空气电池可以耐受“CO2中毒”(CO2形成碳酸盐造成空气电极的堵塞以及电解质pH下降)和有效防止锌枝晶的形成,同时避免出现由于Zn2+的迁移而导致的短路现象,从而有效地提高了电池稳定性。

( (a)催化剂ORR与OER活性对比; (b) 锌空气电池极化曲线与功率密度图)

徐能能告诉记者,在众多的催化剂中,二氧化锰因其丰富的化学价态、晶体结构以及良好的氧还原、氧析出活性,被认为是最有潜力替代贵金属催化剂的候选材料之一。但是,如何进一步提高其氧催化性能一直是这类材料研究的难点。为此,小组成员进行了无数次尝试与实践,历经三年的时间,终于通过Co原子直接激活二氧化锰(110)晶面中Mn1/Mn2原子催化活性,成功构建了碳载Co/Mn双金属氧化物复合催化剂。研究表明,多孔Co3O4均匀地分布在MnO2表面,同时与CNTs形成独特的电子传输网络,表现出优异的ORR与OER性能。此外,组装成的锌空气电池及其电池组表现出高能量密度和高功率密度以及高循环稳定性(810 cycles)的电池性能。


((a) CO2耐受性实验; (b)不同弯曲角度的柔性锌空气电池极化曲线与功率密度图;(c) 柔性锌空气电池抗CO2毒性测试前后的极化曲线与功率密度图)

以上成果将大幅度提高锌空气电池的功率密度、容量密度以及充放电稳定性等电池性能,具有广阔的应用前景。独特的催化剂激活机制以及碱性阴离子交换膜在柔性锌空气电池中的抗毒性研究,为锌空气电池的研究提供了一个全新的发展方向,具有广泛借鉴意义。此外,锌空气电池组件的研究有利于推动其商业化开发,具有重要的社会意义。相关研究结果获得中国国家自然基金(21972017, U1510120),中央高校基本科研业务费学科交叉重点计划(2232018A3-06,CUSF-DH-D-2018075)以及上海市高廷耀环保科技发展基金支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104021








视频:   摄影: 撰写:徐能能、王敏、乔锦丽  信息员:李玲  编辑:朱一超

相关阅读

本月热点排行