什么是金属锌空气电池？

南开大学化学学院教授陈军团队项目微纳结构与电化学能源器件获得天津市自然科学一等奖。该项目属于无机能源材料化学领域，在尖晶石微纳结构的可控制备与电催化性能以及微纳结构电极材料的设计制备与电化学储锂/镁性能的研究方面有所突破，对研发新型高比能、大功率、长寿命电化学能源系统，推动化学及其交叉学科的发展具有重要意义。该系统应用于可充金属锂/锌空气电池，是目前循环寿命最长的高能量密度金属锌空气电池，并具有高安全特性，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

可充金属空气电池以Li、Na、Mg、Al、Zn等轻质活泼金属为负极，以碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极为正极，放电时从空气中获取氧气，充电时再释放出氧气，因此被誉为可呼吸电池。金属空气电池具有超高理论能量密度，电极活性物质廉价易得，特别是利用CO2作为活性材料来取代氧气产生电能，意味着该电池系统有望在CO2富集的地方，如动物及人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气及火星探测等广大领域，提供稳定的能量源泉，因此作为下一代绿色高比能电池而被看好。然而，金属空气电池实际性能受限于空气电极氧还原/氧析出的反应动力学，需要使用电催化剂提高反应效率。铂族贵金属及其合金是催化活性和稳定性俱佳的电催化剂，但其价格昂贵，资源稀缺，规模应用难，需要研制廉价非贵金属基替代材料。

尖晶石型氧化物是一类重要的功能材料，在电、磁、催化、能源等领域具有广泛用途，也是潜在的金属空气电池电催化剂。该类化合物通常采用传统的固相烧结法制备，需要高温长时间加热来克服扩散阻力和反应能垒，耗能耗时，虽然所得产物的结晶性能较好，但成分容易偏析，组成和形貌难以调控，粒径大，比表面积小，反应活性低，限制了其在电催化、储能等方面的应用。
陈军团队针对传统高温固相法难以实现尖晶石室温合成的难题，提出并建立了还原-氧化-转化结晶新方法，发展了无机固体材料的合成方法学，室温制备了高活性氧还原/析出电催化尖晶石纳米晶;采用尖晶石材料代替Pt电极，应用于可充金属锂/锌空气电池，其中锌空气电池能量密度达到335Wh/kg，是目前循环寿命最长的高能量密度金属空气电池，有望成为下一代电动汽车的安全动力电池。

据了解，项目所提出的尖晶石纳米晶制备新策略有利于绿色制备、新能源利用和节能减排，开发的尖晶石纳米材料可替代铂基催化材料，为研制高效廉价、新型大容量长寿命的金属空气电池提供了新思路。相关研究成果发表在NatureChem.(2011,3,79;2012,4,962)、NatureCommun.(2015,6,7345)、Angew.Chem.Int.Ed.(2015,54,4338)等学术期刊上，受邀在Chem.Soc.Rev.(2015，44，699)发表综述;4项具有自主知识产权技术获授权发明专利保护，2项专利已实施转化。
研究成果被美国科学院院士、德州大学JohnGoodenough，美国科学院院士、斯坦福大学HJDai教授，美国工程院院士、麻省理工学院KarenGleason教授，美国工程院院士、美国电化学会副主席、纽约大学石溪分校EstherS.Takeuchi教授，国际电化学权威学者英国南安普顿大学JohnROwen教授等在学术期刊正面引用与评价，被《中国科学基金》(2015第29卷第5期)作为亮点研究进展和封面成果进行介绍。项目成果有力地推动了无机能源材料化学的发展。