天大研发！电池领域再突破！

  在氢燃料电池中，传统电极通常由催化剂颗粒随机堆叠而成。这种电极有着明显的缺陷——质量传输阻力较大，催化剂利用率较低。日前，，通过静电纺丝使催化剂颗粒像蚕吐出丝一样串成线，再层层纺成新型电极，该新型电极具有

  氢能因其高能量密度而被认为是一种极具前景的清洁能源，引起了全球的广泛关注。在氢能技术中，质子交换膜燃料电池以其高功率密度、零排放和快速响应等优势脱颖而出，其能够将氢能高效转化为电能，已大范围的应用于交通运输、固定式发电和便携式电源等领域。

  “理想的燃料电池电极结构应具备良好的三相反应界面，可以在一定程度上促进电池里面的气体扩散与液态水管理。”焦魁教授介绍，相比传统颗粒堆叠电极，该新型电极具有梯度孔隙率、更大的孔和更低的迂曲度，可显著改善低铂燃料电池的电化学性能和耐久性。

  与此同时，论文的第一作者天津大学英才副教授樊林浩介绍，相比来说较高的成本是燃料电池大规模商业化的主要障碍之一。氢燃料电池目前使用到贵金属铂，减少铂用量的同时提高其性能和耐久性，对于降低燃料电池成本至关重要。“新型电极结构要能够同时实现铂用量的减少与耐久性的提高，这对于推动燃料电池的商业化很重要。”据悉，这种新型电极结构明显提升了铂利用率和物质传输效率，并有效抑制了铂的溶解、沉积和离子扩散，可使铂载量由现在商用产品的0.2克/千瓦左右降到0.1克/千瓦，且表现出更为优异的耐久性。

  据了解，焦魁教授团队2021年在《自然》（Nature）上曾发表关于氢燃料电池的综述长文，其中也展望了未来燃料电池膜电极的设计路线。本工作所设计的新型纳米纤维电极同时实现了铂用量的减少与耐久性的提高，这一进展有可能改变燃料电池反应电极的设计，有利于克服质子交换膜燃料电池商业化的成本和耐久性障碍。此外，该新型纳米纤维电极不仅仅可以应用于燃料电池，在其他电化学装置，比如水电解槽、二氧化碳还原电解槽等领域，也具备一定的适用性。

  论文共同第一作者是天津大学英才副教授樊林浩和博士研究生栾永康，通讯作者是天津大学焦魁教授。论文完成单位有天津大学先进内燃动力全国重点实验室、国家储能技术产教融合创新平台、英国萨里大学。

  实现“双碳”目标，离不开可再次生产的能源的充分开发和高效利用，而安全、绿色的大规模储能技术是其关键支撑。近日，天津大学先进碳与能源材料实验室团队取得重要进展，成功研发出一种全新的低腐蚀性“有机双氯”电解液，为铝金属电池走向大规模实际应用扫清了一大障碍。

  铝金属电池因负极材料铝具有理论比容量高、地壳储量丰富、成本低廉以及三电子转移等优势，在下一代储能技术中展现出巨大潜力。然而，铝金属电池技术的实用化长期受限于电解液体系。传统电解液虽能使铝可逆沉积与溶解，但都会存在腐蚀性强、粘度高、成本高、动力学迟缓等问题，严重损害电池组件寿命，制约了其发展。

  针对这一核心挑战，团队创新性地提出“有机双氯”溶剂化电解液设计策略，以氯化铝或正丙醚有机体系替代传统离子液体，并通过精准筛选与调控有机溶剂的溶剂化能力，构建了独特的“有机双氯”溶剂化结构。该结构将所有有腐蚀性的氯离子（Cl⁻）“限域”在铝离子（Al³⁺）周围，从而大幅度降低了电解液整体的腐蚀性。同时，这一特殊结构易于极化，从而确保了铝电池能够稳定、高效地完成反复的充电与放电循环。

  此项突破不仅成功解决了铝金属电池面临的强腐蚀性难题，更开创了一条基于阳离子活性物种的全新电化学反应路径。这为攻克铝电池乃至其他多价金属电池中都会存在的腐蚀、动力学迟缓、传质受阻等共性技术瓶颈，提供了全新的解决思路，为实现铝金属电池的实用化迈出重要一步。

  该研究成果于12月4日发表在国际顶级学术期刊《自然-可持续性》（Nature Sustainability）。天津大学化工学院张渤、李治国、韩大量和中国科学院深圳先进技术研究院闵志雯为共同第一作者，天津大学杨全红教授、翁哲教授和韩大量副研究员为共同通讯作者。《自然-可持续性》在同期刊发的专题评述中特别指出：“此工作使铝金属电池向实际应用迈进了一大步。”

  据了解，天津大学化工学院先进碳与能源材料实验室团队学术带头人是国家杰青、长江学者杨全红教授，现有骨干成员10余人（包括1名国家级领军人才、6名国家级青年人才）。团队致力于新型能量存储与转化材料与器件研究，聚焦新型锂/钠离子电池、固态锂电池和锂硫电池、水系/有机系高价金属电池、海水电池以及电催化小分子高值利用等研究方向，在致密储能、锂硫催化、筛分储能、水合有机/有机高价离子电池和铜基电催化剂可控重构等方面取得原创性成果。