中科大《AM》:實現強大穩定性的高功率密度鋅空氣燃料電池

材料material 發佈 2021-08-03T07:49:42.793622+00:00

金屬空氣燃料電池由於其高能量密度、生態友好和低成本而成為下一代儲能系統必不可少的。但是,金屬空氣燃料電池的低功率密度和脆弱的穩定性嚴重阻礙了它們的大規模應用。特別是對於未來的智能電網來說,高效、穩定的電源輸出對於應急備用電源必不可少。

金屬空氣燃料電池由於其高能量密度、生態友好和低成本而成為下一代儲能系統必不可少的。但是,金屬空氣燃料電池的低功率密度和脆弱的穩定性嚴重阻礙了它們的大規模應用。特別是對於未來的智能電網來說,高效、穩定的電源輸出對於應急備用電源必不可少。這些缺點主要歸因於空氣電極上發生的緩慢的四電子氧還原反應(ORR)。


儘管已經投入了大量資金來製造高效和非貴金屬電催化劑以改善其催化活性和穩定性,在空氣電極上實現穩定有效的ORR仍然是一個挑戰。具有高能量密度、生態友好和低成本的金屬-空氣燃料電池為未來的電力系統帶來了顯著的高安全性。然而,低功率密度和高電流密度穩定性的迫在眉睫的挑戰限制了它們的廣泛應用。


為此,來自中國科學技術大學的Tianpei Zhou等人在《Advanced Materials》上發表題為「納米孔電催化劑優化具有高穩定性的超高功率密度鋅-空氣燃料電池的三重傳輸」的文章。


論文連結:

https://doi.org/10.1002/adma.202003251


在這項研究中,突出了具有強大穩定性的超高功率密度Zn-空氣燃料電池。從受限納米孔的耐水效應中受益,高活性鈷簇電催化劑駐留在特定的納米孔中,並具有穩定的三相反應區,從而實現了電子傳導、氧氣擴散和離子遷移的協同優化,最終進行電催化。結果顯示,所建立的鋅空氣燃料電池在高電流密度放電(在100 mA cm-2下>90 h)下表現出最佳的穩定性,並具有出眾的功率密度(峰值功率密度:> 300 mW cm-2) ,比功率:500 Wgcat-1)與大多數報導的非貴金屬電催化劑相比。這些發現將為高級金屬空氣燃料電池系統的電催化劑的合理設計提供新的思路。


圖1.納米孔中的鈷簇示意圖


圖2.電催化性能示意圖


圖3.鋅空氣燃料電池各項示意圖 a)鋅空氣燃料電池及其空氣電極的示意圖。b)Co / PC和Co / CNT產品的比電導和靜態水接觸角測量。c)含Co / PC,Co / CNT和Pt / C的鋅空氣燃料電池的極化和功率密度曲線。c)含Co / PC,Co / CNT和Pt / C的鋅空氣燃料電池的極化和功率密度曲線。d)電流密度為0至150 mA cm-2的基於Co / PC的鋅空氣燃料電池的放電曲線。e)與以前的工作相比,最大比功率和相應的放電電流密度。f)在100 mA cm-2下基於Co / PC的燃料電池的長期放電曲線


圖4.納米孔連接效應示意圖。 a)擴大的催化層的納米孔結構示意圖。 b)湧入各種納米孔的水的毛細作用記錄為時間的函數。 c)從納米孔擴散到水庫的離子數量隨時間變化,隨納米孔大小的變化而變化。 d)歸一化的滲透阻力(左縱坐標)和離子擴散率(右縱坐標)與納米孔尺寸的關係。


圖5.局部結構分析示意圖


本文成功展示了具有強大穩定性的高功率密度Zn-空氣燃料電池。受益於納米孔連接效應,特定納米孔中的電催化劑形成了豐富的穩定的氣-固-液三相反應區,從而提高了傳質能力,這充分利用了活性位點和強大的穩定性。正如預期的那樣,已建成的Zn-空氣燃料電池在100 mA cm-2的高電流密度下具有300 mW cm-2以上的超高功率密度和90個小時以上的長期耐用性,這表明了它具有很強的商業應用的發展前景。這項研究將大大加速高性能金屬空氣燃料電池的開發。(文:SSC)


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