- 中国科学家研发氟化石墨烯催化剂，提升锌空气电池效率至约98%。
- 该电池在1,500次充放电循环后仍保持97.6%的效率。
- 锌空气电池被视为锂离子电池的有前景替代品，因其能量密度高且成本低。
- 研究结果可能为不依赖金属的碳催化剂提供新策略。
中国科学家近期研发出一种石墨烯催化剂，能将锌空气电池的效率提升至约 98%，并使其运作超过 820 小时。这种氟化石墨烯电催化剂（FG-3）含有 3.1% 的氟，由福建省物质结构研究所的温振海博士和黄俊亨博士领导的团队创造。根据科学家的说法，这种石墨烯催化剂能显著提高锌空气电池的效率和耐用性。在实验室测试中，该电池达到了令人印象深刻的 98% 往返效率，并在常温空气中稳定运行超过 820 小时。
此外，在经过 1,500 次充放电循环后，该电池仍保持 97.6% 的效率。温博士和黄博士认为，这些研究结果可能导致更好、更高效的下一代储能系统。
锌空气电池的优势与挑战
锌空气电池（ZABs）利用锌金属和周围空气中的氧气产生电力，锌金属作为负电极，氧气则在正电极上反应。由于能够储存更多能量，锌空气电池被认为是锂离子电池的有前景替代品。此外，锌资源丰富，成本相对低廉，且具有高能量密度。然而，直到目前为止，锌空气电池几乎无法重充。这主要是由于充放电过程中发生的复杂化学反应，这些反应需要大量能量，从而降低锌空气电池的效率，并加速材料的磨损。
为了解决这一挑战，中国研究人员转向了涉及氧气和过氧化氢的双电子反应，这一反应速度更快且可逆性更好。
氟化石墨烯的制作与性能
团队指出，“双电子（2e-）O2-H2O2 转换路径因其更快的内在动力学和更好的可逆性而受到越来越多的关注。”为了制作氟化石墨烯，他们应用了一种控制加热过程，逐步去除材料中的氟，同时恢复其电导碳结构。这一控制加热过程帮助团队创建了数个不同氟浓度的石墨烯样本。FG-3 展示了最佳性能，因为它能更有效地导电，并促进化学反应的加速。该材料还具备较大表面积、均匀分布的氟以及改善的电解质交互作用。
更多测试显示，氟碳键改变了附近碳原子的电学性质。
为了进一步评估其性能，研究团队在锌电池中测试了这种催化剂。测试结果显示，FG-3 石墨烯催化剂表现优异，并达到 97.4% 的过氧化氢选择性和 98% 的法拉第效率。使用该催化剂制成的不可重充锌空气电池达到了 569 毫瓦每平方厘米（mW cm-2）的峰值功率密度。同时，可重充版本达到了 98% 的往返效率。在大约 1,500 次充电循环后，它仍保持 97.6% 的效率，并在正常空气中稳定运行超过 820 小时。
未来的催化剂发展方向
根据科学家的说法，这些发现可能为不依赖金属制造碳催化剂提供了一种新策略。团队在新闻稿中总结道：“该催化剂使得 O2-H2O2 的高度可逆转换成为可能，并在基于锌的电池中展现出杰出的性能。”这项研究已发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。
项目 规格 氟浓度 3.1% 往返效率 98% 运行时间 超过 820 小时 充放电循环数 1,500 次 过氧化氢选择性 97.4% 峰值功率密度 569 mW/cm²
氟化石墨烯催化剂的潜力与应用
氟化石墨烯催化剂的研发标志着锌空气电池技术的一大突破，因其能显著提升电池的效率和耐用性。锌空气电池的优势在于其高能量密度和低成本，这使其成为锂离子电池的有力竞争者。然而，传统锌空气电池的充放电效率低下，限制了其实际应用。新研发的催化剂不仅提高了电池的性能，还为未来的催化剂设计提供了新的思路，尤其是在不依赖金属的情况下，可能会推动更环保的能源解决方案。