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研发化学电源关键技术 助推清洁能源产业发展——渤海大学化学与材料工程学院蔡克迪教授

2021-04-08

 

渤海大学化学与材料工程学院副院长、先进化学电源研究所所长蔡克迪教授主要从事能源化学与能源材料领域的基础应用研究,在新型化学电源体系、先进电极材料构建等方向开展了大量研究工作,尤其在金属空气电池、有机小分子燃料电池、混合型电容器等领域取得丰硕成果,为我国化学电源技术进步及新能源产业发展作出重要贡献。
 
1 开发锂氧(空)电池关键技术
针对金属锂负极的材料特性,蔡克迪设计一种双通道多孔负极结构锂氧电池,创新地提出了一种双气体通道多孔阳极结构的锂氧电池,在电池内部形成一个动态的气相平衡,有效抑制了氧气向阳极的渗透,从而保护了锂金属阳极。通过对放电结束后阳极片的电子扫描显微镜和拉曼光谱分析,确定阳极腐蚀受到抑制。通过循环伏安、交流阻抗、恒流充放电及功率能量特性分析,这种新型的锂空气电池具有良好表现,首次放电容量达到2 910 mAh/g,循环寿命达到38次(图1)。
制备疏水型离子液体基复合电解质材料,发现电解质的氧还原峰值电流与扫描速度的平方根存在较好的线性关系,表明整个氧还原过程是受扩散步骤控制的,通过弱极化区的Tafel 曲线得到控制步骤中的得失电子数为1,对分析放电过程及界面老化机制有重要意义。电化学测试其首次放电平台约为2.5 V,电池连续工作达到75d。
采用真空直流电弧法制备Mn3O4/MnO等过渡金属氧化物(图2),该催化剂粒径分布均匀无明显团聚现象,具有较大的比表面积和孔隙率。与贵金属及镧系催化剂在空气电极侧构建三元梯度催化结构,其锂氧电池可以稳定循环56次。
通过和频振动光谱研究有机小分子在电极界面上的电氧化行为,检测到有机分子的弱吸附形式,并通过潜在的光谱幅度和氧化峰值位置以及同时收集的原位循环伏安图,得出有机分子在该界面上的直接氧化中间体。通过和频振动光谱分析阳极在不同阶段表面生成物的种类与结构,以及电解液中离子或溶剂分子在该表面的吸附结构与特性,进而理解与界面老化相关的化学反应机理。
2 优化直接二甲醚燃料电池关键技术
通过对二甲醚在铂单晶电极上的电化学行为研究,发现二甲醚的解离吸附与甲醇行为有明显不同,在Pt(100)上活性高,且分解速度快,分解产物在低电位区间使电极表面毒化,在高电位被氧化后,溶液中的二甲醚可同时直接氧化到二氧化碳,遵循“双途径机理”。电化学现场红外光谱研究发现,二甲醚在低电位区间通过脱氢发生解离吸附,生成一种新的中间体(CH3OCH2-),随后转化为毒性中间体CO,并最终氧化为CO2
针对二甲醚高温液相进料时有较多二甲醚气体逸出的燃料特性,蔡克迪设计研究了一种适宜于二甲醚燃料电池的膜电极阳极气液分区结构,为二甲醚提供高效的传质区域,减小燃料在电池内部的传质阻力,以提高电池放电性能及长时间运行稳定性。并通过热力学计算得出不同温度、压力下阳极燃料中二甲醚气液两相的比例,以优化膜电极阳极侧的气体与液体传质区域分布,在此基础上,得出二甲醚混合燃料在阳极侧的传质规律,并为其他直接有机小分子型燃料电池的研究提供了新思路和手段。同时开展了DDFC单体电池与电堆的研制,针对二甲醚燃料的特性对DDFC膜电极进行了功能化构筑,阳极二甲醚溶液进料,阴极氧气进料,电池获得的功率密度达到90 mW/cm2,电池性能达到国际先进水平。
 
3 研制超级电容器关键技术
高比容量超级电容器的工作电压超过3.5 V,容量达到3 000 F,循环寿命在10万次以上,温度性能在-40℃120℃,这就要求开发具有高电势窗口、高电导率和优良高低温性能的有机电解液。二烷基三乙烯二铵盐属于新型有机电解质,与戊二腈作为主要溶剂配制的有机电解液可以满足上述要求。在前期研究的基础上,蔡克迪团队与企业合作,实现该有机电解液的规模化生产,进而实现高比容量超级电容器的产业化生产。依托于校企联盟,采用校企合作的模式研究开发高比容量超级电容器用有机电解液,符合辽宁省高性能活性炭及超级电容器制造产业集群对接合作的方针,对光伏和电动汽车等相关产业的发展具有推动作用,符合振兴东北老工业基地、为地方经济服务的战略,具有很好的社会效益和应用前景。
近年来,蔡克迪教授聚焦锂氧(空)电池、二甲醚燃料电池、高比容量超级电容器等化学电源设备的关键制备技术,丰富化学电源学科理论概念,优化电池结构,开发新型电极和电解质材料,有效推动了新型化学电源的性能提升和我国新能源产业的进步。未来,他将围绕新型化学电源和电极材料的开发和地方经济产业发展实际需求,进一步创新能源化学和材料学理论体系,开发化学电源关键技术,为加快我国新能源技术的开发、推动能源革命和打赢污染治理攻坚战作贡献。