上海硅酸盐地点空气正极结构设计和催化调控研讨中获发展

锂氧气电池是使用锂金属和空气中的氧气完成化学能-电能直接转化的清洁储能系统。依据锂金属质量核算的二次锂氧气电池的理论能量密度达11400W·h/kg，挨近汽油的能量密度(13000W·h/kg)，这是将其应用于新动力轿车动力电池的研讨驱动力。假如计入来自于空气反应物氧气的质量，其理论能量密度为3505W·h/kg(Li2O2)，完成的能量密度估计可达600W·h/kg以上，应用于新动力轿车可使一次充电续航路程到达500～800km，可作为完成我国提出的新动力轿车动力电池开展方针的重要的电化学储能系统。空气正极对锂氧气电池的功能起到关键作用，但其稳定性差和能量功率低的问题亟待解决。

近来，中国科学院上海硅酸盐研讨所动力资料研讨中心研讨员张涛团队在空气正极结构规划和催化调控研讨中获得系列发展，根据“金属纳米钻”技能制备出嵌合纳米金属钌的自支撑碳基空气正极。研讨团队经过准确操控金属催化剂在碳载体中的嵌入方位，可控调理了碳与金属催化剂的触摸界面及嵌合催化剂的电子结构。研讨经过同步辐射及第一性原理核算验证了碳微米管和钌颗粒间存在着显着的电荷转移，部分嵌入的纳米钌颗粒表现出梯度催化特性。将该资料用于锂氧气电池空气正极，可调控空气正极的放电产品描摹，在不同放电深度下得到纳米片及薄膜-环状产品复合的放电产品。此空气正极在3500mAh/g的大容量循环中完成了较高能量功率(≥ 80 %)。该效果突破了空气正极单一固相催化剂ORR和OER催化活性难以统筹的瓶颈，为锂氧气电池的空气正极规划供给了新思路。相关研讨效果以Chimerism of Carbon by Ruthenium Induces Gradient Catalysis为题，宣布在Advanced Functional Materials上，被选为Hot Topic: Carbon, Graphite and Graphene，该效果已请求一项国家发明专利。

“金属纳米钻”是该团队提出的一种金属辅佐化学刻蚀技能。针对碳载体中孔结构难以准确调控的难题，该团队提出将金属催化剂与碳活化结合的设想，经过引进非贵金属(如镍)或贵金属(如钌)，一方面，可完成对SP2/SP3碳资料进行催化刻蚀，得到从介孔到大孔的分级多孔碳载体;另一方面，经过调控碳载体中嵌入的纳米金属的方位，制备出一体化的碳/限域金属催化剂复合资料。相关研讨效果以Metal nano-drills directionally regulate pore structure in carbon为题，宣布在Carbon上，该效果已请求两项国家发明专利。

研讨工作得到国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目、上海市科学技能委员会科技立异行动计划高新技能领域项目、国家重点试验室主任基金等的支撑。