- 中國科學家研發氟化石墨烯催化劑，提升鋅空氣電池效率至約98%。
- 該電池在1,500次充放電循環後仍保持97.6%的效率。
- 鋅空氣電池被視為鋰離子電池的有前景替代品，因其能量密度高且成本低。
- 研究結果可能為不依賴金屬的碳催化劑提供新策略。
中國科學家近期研發出一種石墨烯催化劑，能將鋅空氣電池的效率提升至約 98%，並使其運作超過 820 小時。這種氟化石墨烯電催化劑（FG-3）含有 3.1% 的氟，由福建省物質結構研究所的溫振海博士和黃俊亨博士領導的團隊創造。根據科學家的說法，這種石墨烯催化劑能顯著提高鋅空氣電池的效率和耐用性。在實驗室測試中，該電池達到了令人印象深刻的 98% 往返效率，並在常溫空氣中穩定運行超過 820 小時。
此外，在經過 1,500 次充放電循環後，該電池仍保持 97.6% 的效率。溫博士和黃博士認為，這些研究結果可能導致更好、更高效的下一代儲能系統。
鋅空氣電池的優勢與挑戰
鋅空氣電池（ZABs）利用鋅金屬和周圍空氣中的氧氣產生電力，鋅金屬作為負電極，氧氣則在正電極上反應。由於能夠儲存更多能量，鋅空氣電池被認為是鋰離子電池的有前景替代品。此外，鋅資源豐富，成本相對低廉，且具有高能量密度。然而，直到目前為止，鋅空氣電池幾乎無法重充。這主要是由於充放電過程中發生的複雜化學反應，這些反應需要大量能量，從而降低鋅空氣電池的效率，並加速材料的磨損。
為瞭解決這一挑戰，中國研究人員轉向了涉及氧氣和過氧化氫的雙電子反應，這一反應速度更快且可逆性更好。
氟化石墨烯的製作與性能
團隊指出，“雙電子（2e-）O2-H2O2 轉換路徑因其更快的內在動力學和更好的可逆性而受到越來越多的關注。”為了製作氟化石墨烯，他們應用了一種控制加熱過程，逐步去除材料中的氟，同時恢復其電導碳結構。這一控制加熱過程幫助團隊創建了數個不同氟濃度的石墨烯樣本。FG-3 展示了最佳性能，因為它能更有效地導電，並促進化學反應的加速。該材料還具備較大表面積、均勻分佈的氟以及改善的電解質交互作用。
更多測試顯示，氟碳鍵改變了附近碳原子的電學性質。
為了進一步評估其性能，研究團隊在鋅電池中測試了這種催化劑。測試結果顯示，FG-3 石墨烯催化劑表現優異，並達到 97.4% 的過氧化氫選擇性和 98% 的法拉第效率。使用該催化劑製成的不可重充鋅空氣電池達到了 569 毫瓦每平方釐米（mW cm-2）的峯值功率密度。與此同時，可重充版本達到了 98% 的往返效率。在大約 1,500 次充電循環後，它仍保持 97.6% 的效率，並在正常空氣中穩定運行超過 820 小時。
未來的催化劑發展方向
根據科學家的說法，這些發現可能為不依賴金屬製造碳催化劑提供了一種新策略。團隊在新聞稿中總結道：“該催化劑使得 O2-H2O2 的高度可逆轉換成為可能，並在基於鋅的電池中展現出傑出的性能。”這項研究已發表於《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。
項目 規格 氟濃度 3.1% 往返效率 98% 運行時間 超過 820 小時 充放電循環數 1,500 次 過氧化氫選擇性 97.4% 峯值功率密度 569 mW/cm²
氟化石墨烯催化劑的潛力與應用
氟化石墨烯催化劑的研發標誌著鋅空氣電池技術的一大突破，因其能顯著提升電池的效率和耐用性。鋅空氣電池的優勢在於其高能量密度和低成本，這使其成為鋰離子電池的有力競爭者。然而，傳統鋅空氣電池的充放電效率低下，限制了其實際應用。新研發的催化劑不僅提高了電池的性能，還為未來的催化劑設計提供了新的思路，尤其是在不依賴金屬的情況下，可能會推動更環保的能源解決方案。