天津大學研發！電池領域再突破！

近日

天津大學科研團隊

連續在能源存儲與轉化領域取得重要進展

氫燃料電池、鋁金屬電池

將有何新突破？

快來和小天一起看看！

仿蠶吐絲制備新型電極

天津大學團隊為氫燃料電池降本增效

在氫燃料電池中，傳統電極通常由催化劑顆粒隨機堆疊而成。這種電極有著明顯的缺陷——質量傳輸阻力較大，催化劑利用率較低。日前，天津大學焦魁教授團隊基于靜電紡絲技術研發出一款新型電極，通過靜電紡絲使催化劑顆粒像蠶吐出絲一樣串成線，再層層紡成新型電極，該新型電極具有高比表面積、高孔隙率和大孔徑等特點。日前，這一成果的相關論文在《科學通報》（Science Bulletin）上發表。

氫能因其高能量密度而被認為是一種極具前景的清潔能源，引起了全球的廣泛關注。在氫能技術中，質子交換膜燃料電池以其高功率密度、零排放和快速響應等優勢脫穎而出，其能夠將氫能高效轉化為電能，已廣泛應用于交通運輸、固定式發電和便攜式電源等領域。

“理想的燃料電池電極結構應具備良好的三相反應界面，能夠促進電池內部的氣體擴散與液態水管理。”焦魁教授介紹，相比傳統顆粒堆疊電極，該新型電極具有梯度孔隙率、更大的孔和更低的迂曲度，可明顯改善低鉑燃料電池的電化學性能和耐久性。

與此同時，論文的第一作者天津大學英才副教授樊林浩介紹，相對較高的成本是燃料電池大規模商業化的主要障礙之一。氫燃料電池目前使用到貴金屬鉑，減少鉑用量的同時提高其性能和耐久性，對于降低燃料電池成本至關重要。“新型電極結構要能夠同時實現鉑用量的減少與耐久性的提高，這對于推動燃料電池的商業化非常重要。”據悉，這種新型電極結構顯著提升了鉑利用率和物質傳輸效率，并有效抑制了鉑的溶解、沉積和離子擴散，可使鉑載量由現在商用產品的0.2克/千瓦左右降到0.1克/千瓦，且表現出更為優異的耐久性。

據了解，焦魁教授團隊2021年在《自然》（Nature）上曾發表關于氫燃料電池的綜述長文，其中也展望了未來燃料電池膜電極的設計路線。本工作所設計的新型納米纖維電極同時實現了鉑用量的減少與耐久性的提高，這一進展有可能改變燃料電池反應電極的設計，有利于克服質子交換膜燃料電池商業化的成本和耐久性障礙。此外，該新型納米纖維電極不僅能夠應用于燃料電池，在其他電化學裝置，比如水電解槽、二氧化碳還原電解槽等領域，也具備一定的適用性。

論文共同第一作者是天津大學英才副教授樊林浩和博士研究生欒永康，通訊作者是天津大學焦魁教授。論文完成單位有天津大學先進內燃動力全國重點實驗室、國家儲能技術產教融合創新平臺、英國薩里大學。

天津大學研發新型電解液

有望實現鋁金屬電池實用化

實現“雙碳”目標，離不開可再生能源的充分開發和高效利用，而安全、綠色的大規模儲能技術是其關鍵支撐。近日，天津大學先進碳與能源材料實驗室團隊取得重要進展，成功研發出一種全新的低腐蝕性“有機雙氯”電解液，為鋁金屬電池走向大規模實際應用掃清了一大障礙。

“有機雙氯”電解液設計及特性圖示

鋁金屬電池因負極材料鋁具有理論比容量高、地殼儲量豐富、成本低廉以及三電子轉移等優勢，在下一代儲能技術中展現出巨大潛力。然而，鋁金屬電池技術的實用化長期受限于電解液體系。傳統電解液雖能使鋁可逆沉積與溶解，但普遍存在腐蝕性強、粘度高、成本高、動力學遲緩等問題，嚴重損害電池組件壽命，制約了其發展。

針對這一核心挑戰，團隊創新性地提出“有機雙氯”溶劑化電解液設計策略，以氯化鋁或正丙醚有機體系替代傳統離子液體，并通過精準篩選與調控有機溶劑的溶劑化能力，構建了獨特的“有機雙氯”溶劑化結構。該結構將所有具有腐蝕性的氯離子（Cl?）“限域”在鋁離子（Al3?）周圍，從而大幅降低了電解液整體的腐蝕性。同時，這一特殊結構易于極化，從而確保了鋁電池能夠穩定、高效地完成反復的充電與放電循環。

此項突破不僅成功解決了鋁金屬電池面臨的強腐蝕性難題，更開創了一條基于陽離子活性物種的全新電化學反應路徑。這為攻克鋁電池乃至其他多價金屬電池中普遍存在的腐蝕、動力學遲緩、傳質受阻等共性技術瓶頸，提供了全新的解決思路，為實現鋁金屬電池的實用化邁出重要一步。

該研究成果于12月4日發表在國際頂級學術期刊《自然-可持續性》（Nature Sustainability）。天津大學化工學院張渤、李治國、韓大量和中國科學院深圳先進技術研究院閔志雯為共同第一作者，天津大學楊全紅教授、翁哲教授和韓大量副研究員為共同通訊作者。《自然-可持續性》在同期刊發的專題評述中特別指出：“此工作使鋁金屬電池向實際應用邁進了一大步。”

據了解，天津大學化工學院先進碳與能源材料實驗室團隊學術帶頭人是國家杰青、長江學者楊全紅教授，現有骨干成員10余人（包括1名國家級領軍人才、6名國家級青年人才）。團隊致力于新型能量存儲與轉化材料與器件研究，聚焦新型鋰/鈉離子電池、固態鋰電池和鋰硫電池、水系/有機系高價金屬電池、海水電池以及電催化小分子高值利用等研究方向，在致密儲能、鋰硫催化、篩分儲能、水合有機/有機高價離子電池和銅基電催化劑可控重構等方面取得原創性成果。

這些進展不僅體現了

天大人勇攀科技高峰的使命擔當

更為我國在全球能源技術競爭中

占據先機貢獻了重要智慧

為天大人點贊

記者 / 劉曉艷 梁紹楠

編輯 / 張睿妍 鄧博

審核 / 王鑫 薛子易

「 天 津 大 學 新 媒 體 中 心 」