为助力“双碳”目标落地见效、推动新型电力系统构建，破解锌-空气电池产业化瓶颈，近日，新余学院“储能锌材”团队依托动力储能电池及材料江西省重点实验室平台，历时近四年潜心攻关，成功研发出ZM-CNF三维网状非贵金属催化剂。该成果从材料基体层面，系统性破解了锌-空气电池双功能催化、长循环寿命与低成本难以兼得的行业痛点，为储能技术规模化应用迈出关键一步。
成本与性能双重挤压：贵金属依赖成为产业化的锁喉环节
锌-空气电池具备理论能量密度高、本质安全、锌资源丰富等先天优势，在电网调频、通信基站备用电源、分布式储能等场景前景广阔。然而，其正极侧氧还原（ORR）与氧析出（OER）反应动力学迟缓，高度依赖催化剂驱动。当前商用方案以铂碳、二氧化钌等贵金属体系为主，不仅价格高达约50万元/千克，且双功能活性不足、易中毒失活、循环寿命仅200次左右，严重制约技术规模化推广。
锌-空气电池原理图
回归“催化剂骨架”底层创新：以三维网络拓扑突破性能
团队基于“静电纺丝-原位生长-高温碳化”工艺，将ZIF-67与Co-MOG双前驱体纳米颗粒，在聚丙烯腈纤维基体内构建互联互通的三维网络拓扑。该结构实现了三重协同效应：致密的M-N-C原子级活性位点高效驱动化学反应；连续碳骨架提供高速电子传输通道；互联互通的三维结构保障了稳定的离子输运与反应物扩散。
ZM-CNF催化剂制备方法
测试数据显示，ZM-CNF催化剂的氧还原极限电流密度由传统非贵金属体系的4mA/cm2跃升至6mA/cm2，大电流密度下的OER性能可媲美商业化二氧化钌。组装的锌-空气电池开路电位达1.45V，峰值功率密度达125mW/cm2，稳定循环突破1000次，较传统贵金属体系循环寿命提升5倍、成本降低90%。
催化剂性能测试
系统工程协同：打破催化层脱落与传质失衡瓶颈
此外，在催化层界面调控上，团队发现了粘结剂体系的决定性影响。主流Nafion方案缺乏疏水网络，高电位区间催化剂脱落严重；而纯PVDF虽稳定性能优异但初始导电性差。团队通过PTFE/Nafion/PVDF复合配比优化，成功构建“导电-疏水-粘接”三相平衡的界面层。170小时循环数据显示，电池性能衰减率从74%骤降至8%，大幅提升了催化层的结构完整性与长期运行可靠性。
PTFE/Nafion/PVDF复合配比优化后性能测试
在电池结构层面，团队系统研究了气体扩散层厚度对阴极传质与整体性能的影响规律。通过对比0.20mm至0.35mm四种规格扩散层的微观形貌与放电特性，团队精准锁定0.25mm为最优厚度。 该厚度下扩散层裂纹控制良好，氧气传质效率与排水能力实现最佳匹配，电池峰值功率密度显著提升。
厚度性能测试
据悉，当前全球锌-空气电池市场正稳步增长，中国市场增速显著，该团队研发的ZM-CNF三维网状非贵金属催化剂，其低成本、长寿命的优势，有望契合电网储能、通信基站备用电源等场景的实际需求，为新型电力系统构建提供技术支撑。下一步，团队将持续推进技术优化，深化与相关企业的合作，推动科研成果从实验室走向产业一线，助力“双碳”目标落地见效，为我国储能产业高质量发展注入新动能。
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