北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到30%,大幅提高锂空电池性能

 2019-10-08 10:56  156人阅读   双一流大学网

北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到30%,大幅提高锂空电池性能

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电池研究又有新进展。

而且荣登Nature,来自北京大学。

工学院的郭少军团队研发出一类新型电催化剂,与商业化的两种催化剂相比,相应指标高出78和327倍。

而且稳定性也相当优异:经过30000次循环后,性能衰减低于30%。

电催化,是将可再生能量转化为能源的基础技术。论文中表示,这一进展能够显著提升锌空电池和锂空电池的性能。

北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到30%

与现在广泛使用的电池相比,这两类电池具有更高的能量密度,将来也能够应用到电动汽车之中,对于其性能提升,会有极大帮助。

新型电催化剂

郭少军团队研发的新型电池催化剂,名为亚纳米厚且高端卷曲的双金属钯钼纳米片材料,在碱性电解质中展现出了更好的氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)电催化活性和稳定性。

其直接作用,是提升相关电化学能源转换/存储器件的性能。再往上游看,对于提高可再生电能的直接使用也有助益。

化石能源的日益枯竭其对环境气候造成了很大的负面影响,世界各国对于可再生清洁能源的重视度越来越高。

虽然各种新能源电厂正在大力建设,但以风能和太阳能为代表的可再生能源用起来并没有那么容易。

一是这些可再生能源天然具有间歇性(气候影响大)特征,而是常规电网在长途输电过程中会产生高电能损耗等等,直接限制了可再生电能的使用。

当然,也不是没有对应办法。

一种更有效的方式,就是用基于电化学转换器件,首先将可再生电能储存于含能分子的化学键中,再将这些含能分子运输至能源需求点,最后可控地释放化学能。

整个过程中,电化学反应“负责”此类化学能与电能之间的转换,其反应速率,直接决定了能源转换的效率以及电化学器件的运行功率。

所以,因此控制反应速率的电催化剂至关重要。

目前,最受关注的能源转换装置有两种:燃料电池和金属空气电池。

但这两类装置在转换的过程中会受到阴极ORR缓慢的动力学的影响,以及贵金属催化剂用量也非常高,从而极大限制了这两类能源技术的实际运用。

因此,开发出高性能低成本的ORR电催化剂对于提高电池性能以及能源转化效率,都有极大的促进作用。

怎么开发?不仅要用合适的材料,也要用对方法。

首先选材料。

铂族金属(Platinum group metals, PGMs)纳米材料,具备高活性和高稳定性等优势,是当前最常用的ORR电催化剂。

其次选方法。

郭少军团队在2016年发表于Science上的研究证明,理性控制金属纳米材料的表面应变可显著提高ORR电催化活性。

基于前期工作基础,他们研发出了一类新型的亚纳米厚且高度卷曲的双金属钯钼纳米片(结构类似于石墨烯),简称为“双金属烯”:

北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到30%

△钯钼双金属烯的结构表征。(a-c)电子显微镜图片;(d, e)原子力显微镜图片及厚度分析;(f)球差透射电子显微镜图片

效果最高提升300多倍

这一催化剂材料的性能,也在论文给出的实验中得到了证实:

PdMo双金属烯的超薄结构,能显著提高贵金属Pd的原子利用率,实现超高的电化学活性面积(138.7 m2/gPd)。

在0.9 V(参比于可逆氢电极)电位下,其ORR的质量活性高达16.37 A/mgPd,较商业Pt/C和Pd/C催化剂分别高出78和327倍。

同时展现出优异的稳定性(30000圈循环扫描后,性能性能衰减低于30%)。

经过密度泛函理论计算研究发现,双金属合金效应、几何卷曲引起的应变效应以及亚纳米尺寸引起的量子效应,共同调控了表面Pd的电子结构,实现氧结合能的优化及氧还原催化性能的大幅提升)。

PdMo双金属烯同时表现出优于商业氧化铱(IrO2)催化剂的析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)活性。

北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到30%

△钯钼双金属烯的性能评价及催化机理研究。(a)各催化剂的ORR极化曲线及(b)活性对比图;(c)双金属烯的原子模型;(d)氧结合能与晶格应变的关系;(e)不同材料中Pd元素的d带中心位置

在北大工学院对郭少军的研究成果的介绍中,还着重强调了其对于锌空和锂空电池的充放电性能的提升。

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