近日

天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)

連續(xù)在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

氫燃料電池、鋁金屬電池

將有何新突破？

快來和小天一起看看！

仿蠶吐絲制備新型電極

天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)為氫燃料電池降本增效

在氫燃料電池中，傳統(tǒng)電極通常由催化劑顆粒隨機(jī)堆疊而成。這種電極有著明顯的缺陷——質(zhì)量傳輸阻力較大，催化劑利用率較低。日前，天津大學(xué)焦魁教授團(tuán)隊(duì)基于靜電紡絲技術(shù)研發(fā)出一款新型電極，通過靜電紡絲使催化劑顆粒像蠶吐出絲一樣串成線，再層層紡成新型電極，該新型電極具有高比表面積、高孔隙率和大孔徑等特點(diǎn)。日前，這一成果的相關(guān)論文在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上發(fā)表。

氫能因其高能量密度而被認(rèn)為是一種極具前景的清潔能源，引起了全球的廣泛關(guān)注。在氫能技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池以其高功率密度、零排放和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，其能夠?qū)淠芨咝мD(zhuǎn)化為電能，已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、固定式發(fā)電和便攜式電源等領(lǐng)域。

“理想的燃料電池電極結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的三相反應(yīng)界面，能夠促進(jìn)電池內(nèi)部的氣體擴(kuò)散與液態(tài)水管理?！?/strong>焦魁教授介紹，相比傳統(tǒng)顆粒堆疊電極，該新型電極具有梯度孔隙率、更大的孔和更低的迂曲度，可明顯改善低鉑燃料電池的電化學(xué)性能和耐久性。

與此同時(shí)，論文的第一作者天津大學(xué)英才副教授樊林浩介紹，相對(duì)較高的成本是燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的主要障礙之一。氫燃料電池目前使用到貴金屬鉑，減少鉑用量的同時(shí)提高其性能和耐久性，對(duì)于降低燃料電池成本至關(guān)重要。“新型電極結(jié)構(gòu)要能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉑用量的減少與耐久性的提高，這對(duì)于推動(dòng)燃料電池的商業(yè)化非常重要?！睋?jù)悉，這種新型電極結(jié)構(gòu)顯著提升了鉑利用率和物質(zhì)傳輸效率，并有效抑制了鉑的溶解、沉積和離子擴(kuò)散，可使鉑載量由現(xiàn)在商用產(chǎn)品的0.2克/千瓦左右降到0.1克/千瓦，且表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐久性。

據(jù)了解，焦魁教授團(tuán)隊(duì)2021年在《自然》（Nature）上曾發(fā)表關(guān)于氫燃料電池的綜述長(zhǎng)文，其中也展望了未來燃料電池膜電極的設(shè)計(jì)路線。本工作所設(shè)計(jì)的新型納米纖維電極同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鉑用量的減少與耐久性的提高，這一進(jìn)展有可能改變?nèi)剂想姵胤磻?yīng)電極的設(shè)計(jì)，有利于克服質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的成本和耐久性障礙。此外，該新型納米纖維電極不僅能夠應(yīng)用于燃料電池，在其他電化學(xué)裝置，比如水電解槽、二氧化碳還原電解槽等領(lǐng)域，也具備一定的適用性。

論文共同第一作者是天津大學(xué)英才副教授樊林浩和博士研究生欒永康，通訊作者是天津大學(xué)焦魁教授。論文完成單位有天津大學(xué)先進(jìn)內(nèi)燃動(dòng)力全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、英國(guó)薩里大學(xué)。

天津大學(xué)研發(fā)新型電解液

有望實(shí)現(xiàn)鋁金屬電池實(shí)用化

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，離不開可再生能源的充分開發(fā)和高效利用，而安全、綠色的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是其關(guān)鍵支撐。近日，天津大學(xué)先進(jìn)碳與能源材料實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)取得重要進(jìn)展，成功研發(fā)出一種全新的低腐蝕性“有機(jī)雙氯”電解液，為鋁金屬電池走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用掃清了一大障礙。

“有機(jī)雙氯”電解液設(shè)計(jì)及特性圖示

鋁金屬電池因負(fù)極材料鋁具有理論比容量高、地殼儲(chǔ)量豐富、成本低廉以及三電子轉(zhuǎn)移等優(yōu)勢(shì)，在下一代儲(chǔ)能技術(shù)中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，鋁金屬電池技術(shù)的實(shí)用化長(zhǎng)期受限于電解液體系。傳統(tǒng)電解液雖能使鋁可逆沉積與溶解，但普遍存在腐蝕性強(qiáng)、粘度高、成本高、動(dòng)力學(xué)遲緩等問題，嚴(yán)重?fù)p害電池組件壽命，制約了其發(fā)展。

針對(duì)這一核心挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“有機(jī)雙氯”溶劑化電解液設(shè)計(jì)策略，以氯化鋁或正丙醚有機(jī)體系替代傳統(tǒng)離子液體，并通過精準(zhǔn)篩選與調(diào)控有機(jī)溶劑的溶劑化能力，構(gòu)建了獨(dú)特的“有機(jī)雙氯”溶劑化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將所有具有腐蝕性的氯離子（Cl?）“限域”在鋁離子（Al3?）周圍，從而大幅降低了電解液整體的腐蝕性。同時(shí)，這一特殊結(jié)構(gòu)易于極化，從而確保了鋁電池能夠穩(wěn)定、高效地完成反復(fù)的充電與放電循環(huán)。

此項(xiàng)突破不僅成功解決了鋁金屬電池面臨的強(qiáng)腐蝕性難題，更開創(chuàng)了一條基于陽離子活性物種的全新電化學(xué)反應(yīng)路徑。這為攻克鋁電池乃至其他多價(jià)金屬電池中普遍存在的腐蝕、動(dòng)力學(xué)遲緩、傳質(zhì)受阻等共性技術(shù)瓶頸，提供了全新的解決思路，為實(shí)現(xiàn)鋁金屬電池的實(shí)用化邁出重要一步。

該研究成果于12月4日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然-可持續(xù)性》（Nature Sustainability）。天津大學(xué)化工學(xué)院張渤、李治國(guó)、韓大量和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院閔志雯為共同第一作者，天津大學(xué)楊全紅教授、翁哲教授和韓大量副研究員為共同通訊作者。《自然-可持續(xù)性》在同期刊發(fā)的專題評(píng)述中特別指出：“此工作使鋁金屬電池向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。”

據(jù)了解，天津大學(xué)化工學(xué)院先進(jìn)碳與能源材料實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人是國(guó)家杰青、長(zhǎng)江學(xué)者楊全紅教授，現(xiàn)有骨干成員10余人（包括1名國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才、6名國(guó)家級(jí)青年人才）。團(tuán)隊(duì)致力于新型能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化材料與器件研究，聚焦新型鋰/鈉離子電池、固態(tài)鋰電池和鋰硫電池、水系/有機(jī)系高價(jià)金屬電池、海水電池以及電催化小分子高值利用等研究方向，在致密儲(chǔ)能、鋰硫催化、篩分儲(chǔ)能、水合有機(jī)/有機(jī)高價(jià)離子電池和銅基電催化劑可控重構(gòu)等方面取得原創(chuàng)性成果。

這些進(jìn)展不僅體現(xiàn)了

天大人勇攀科技高峰的使命擔(dān)當(dāng)

更為我國(guó)在全球能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中

占據(jù)先機(jī)貢獻(xiàn)了重要智慧

為天大人點(diǎn)贊

記者 / 劉曉艷 梁紹楠

編輯 / 張睿妍 鄧博

審核 / 王鑫 薛子易

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