3552次循环突破：新型复合催化剂开启锌电储能新时代

电子发烧友网综合报道，澳大利亚莫纳什大学材料与能源科学团队在锌空气电池领域有突破性进展，其研发的复合催化剂让可充电锌空气电池的循环寿命达到新高度。

这项发表于《化学工程杂志》的研究成果，刷新了该类电池的稳定运行纪录，在74天内完成3552次充放电循环后性能依旧稳定，还通过创新材料设计为清洁能源存储技术开辟了新道路。

锌空气电池自诞生就因理论能量密度高（可达锂离子电池5倍以上）、安全性好（使用水性电解液）等特点受关注。但传统锌空气电池一直受氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）缓慢动力学问题困扰。这两个关键反应效率决定电池充放电速率和循环寿命，传统贵金属催化剂（如铂、钌）虽能加速反应，却存在成本高、资源稀缺、功能单一等问题。莫纳什大学团队通过材料创新解决了这一难题。

研究团队开发的新型复合催化剂，核心是构建了钴铁双金属单原子嵌入二维氮掺杂碳纳米片的结构。这种独特二维架构增加了活性位点暴露面积，通过氮原子配位作用优化了电子传输路径。

制备时，科研人员用熔盐辅助热解法，把三维钴铁框架转化为超薄碳片，让钴、铁原子以单原子形式均匀嵌入碳基体。这种原子级分散策略实现了材料高效利用，通过金属原子间协同效应提升了催化活性。

实验数据显示，该催化剂在氧还原反应中半波电位达0.82V，析氧反应过电位仅270mV，性能超传统铂基催化剂。在电池性能测试中，搭载该催化剂的锌空气电池稳定性惊人。在230mW/cm²功率密度下持续充放电74天，电池容量衰减率不足0.5%，循环效率保持在98%以上。超长寿命得益于催化剂对副反应的有效抑制。

传统锌空气电池循环中易产生锌枝晶和碳酸盐沉积，导致电极堵塞和内阻增加。而新型催化剂优化氧反应路径，降低了析氢等副反应发生概率，抑制了电解液分解产物生成。

密度泛函理论计算表明，钴铁原子与氮掺杂碳的强相互作用，调节了反应中间体吸附能，让反应更趋近热力学平衡。这项技术突破对清洁能源应用意义深远。锌空气电池原料锌储量丰富（地壳含量0.0075%，是锂的150倍），生产过程碳排放仅为锂离子电池的1/3。

若规模化应用，能缓解电动汽车和电网储能对稀有金属的依赖。研究团队测算，采用该催化剂的锌空气电池系统，理论成本可降至每千瓦时50美元以下，远低于当前锂电系统的150美元成本线。

更重要的是，电池在极端环境下稳定性好，在 -20℃至60℃范围内能保持90%以上初始性能，为极地科考站、深海探测设备等特殊场景能源供应提供新方案。技术转化正在加速。

研究团队已和多家能源企业达成合作意向，计划两年内完成从实验室到中试的跨越。商业化路径上，团队采用模块化设计理念，单个电池单元尺寸可定制为5 × 5 × 1cm³，通过串联组合能满足不同功率需求。

和现有锂电系统相比，锌空气电池优势是机械充电模式，更换锌电极可快速补能，适合物流运输、应急电源等需要快速周转的场景。据测算，搭载该技术的电动卡车续航里程可超1500公里，充电时间缩短至传统锂电池的1/5。

该成果引发国际学术界高度关注。美国阿贡国家实验室专家称，这种原子级精准材料设计策略为多相催化剂开发提供了新范式。德国弗劳恩霍夫研究所后续研究显示，该催化体系在燃料电池领域性能卓越，氢氧反应效率较传统催化剂提升40%。更令人振奋的是，研究团队已验证该技术可兼容海水直接作为电解液，为海洋能源开发带来新可能。

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