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

乾明 2019-10-03 11:10:07 来源：量子位

乾明 编辑整理

量子位 出品 | 公众号 QbitAI

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。

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”：

△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。

△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。

这对于氧反应电催化机理研究，以及新型高效燃料电池/金属空气电池阴极电催化剂的开发来说，都具有借鉴意义，也能够为下一代高性能低成本电催化剂的理性设计提供了全新思路。

郭少军团队新研究

这一研究，是北大郭少军团队的又一新成果。

根据论文的署名信息，郭少军是论文的唯一通讯作者。

郭少军2005年毕业于吉林大学化学学院，2005年保送到中国科学院长春应用化学研究所。

2010年12月获分析化学博士学位，之后在美国布朗大学化学系从事博士后研究。

博士后研究生涯结束后，郭少军在美国Los Alamos国家实验室做了两年研究。

2015年回国后，进入北京大学，是工学院材料科学与工程系、能源与资源工程系双聘研究员，博士生导师，也是国家青年千人计划学者。

主要从事催化、新能源、传感器和光电材料等领域的研究。根据北大工学院个人介绍页面，他已经在Science、Nature等国际著名学术期刊发表学术论文200篇和书章节4部。

其中，以通讯/第一作者发表影响因子大于10论文53篇、ESI Top 1%高被引论文41篇、ESI Top 0.1%热点论文7篇和单篇引用超过100次的41篇。

根据Google Scholar的数据，郭少军的研究引用已经超过了3万次，H因子为94。

这一研究的第一作者，是骆明川博士，此前在郭少军团队从事博士后研究，论文中署名单位是北京大学工学院材料科学与工程系。

此外，论文的合作者中，还有美国加州州立大学Gang Lu（卢刚）教授和美国布鲁克海文国家实验室Dong Su（苏东）研究员。

Nature论文传送门：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7

参考链接：

http://www.coe.pku.edu.cn/xwxx/xwjj/xwkx/918269.htm