传统的化石能源逐渐枯竭，化石燃料对环境污染的影响日益加剧。目前人类社会正处于从化石燃料到清洁能源的过渡阶段，太阳能，风能，水电，天然气和氢能等几种清洁能源得到迅速发展。开发安全、灵活、高效、合适大规模存储的能源技术非常重要。电池因其灵活性和较高的充放电效率而成为最常用的能量储存方法之一。锂离子电池具有较高的能量密度和充放电效率广泛用于电动汽车，但其安全性、能量密度、充电效率仍然不能满足未来电动汽车的发展需求。氢燃料电池因体积小、容量大、没有污染、零排放，也已成为研究热点之一。然而，制氢成本高，铂催化剂价格贵和未解决的安全性等问题也限制了氢燃料电池的发展和普及。

近年来，以金属空气电池为代表的金属燃料电池由于其高能量密度、低成本、安全性和优异的放电性能而备受关注。镁（Mg），铝（Al），锌（Zn），锂（Li）等金属及其合金均可用作金属燃料，可在氧和水溶液的参与下释放电能，这些金属在地球上储量丰富，并且可以重复使用。金属燃料电池容量大、能量密度高，放电特性稳定，存储寿命长且安全，既适用于大规模能量储能，也可用作小型电池。

据报道，一个100千克的铝电池，可以驱动电动汽车超过3000公里，许多研究小组一直在研究如何提高金属燃料电池系统的功率和寿命，目前仍有许多科学和工程问题尚待解决。

阴极是金属燃料电池的重要部分，主要由集电极和催化层组成，有时也需要气体扩散层。集电极由金属网或金属泡沫制成，可以收集电子并连接到外部电路。催化层通常由催化剂，碳材料和粘合剂组成，氧还原反应发生在催化层中。气体扩散层通常由碳材料和诸如PTFE的粘合剂组成，该层透氧气但不透水。目前阴极较低的氧还原反应效率和较短的使用寿命是金属燃料电池规模应用的主要障碍。

贵金属及其合金是最常见的阴极催化剂，包括铂（Pt），钯（Pd），金（Au）等，因贵金属催化剂的稀缺性和高成本限制了其大规模应用。某些过渡金属氧化物（如MnO₂）具备较高的催化活性，同时制备成本较低，性价比高，过渡金属氧化物是未来有希望得到大规模应用的催化剂。

本刊近期发表中国工程院刘合院士团队文章Cathodes with MnO₂ catalysts for metal fuel battery，采用MnO₂催化剂在不同的条件下制备了系列金属燃料电池阴极。超声分散是催化剂浆料制备过程中的重要步骤，研究了催化剂浆料超声时长对阴极性能的影响规律；催化层和扩散层在干燥过程中，液体蒸发会留下微孔，这使得氧分子渗入催化层参与氧还原反应，研究了干燥温度对阴极显微结构和放电性能的影响规律；同时还研究了氧气流对放电电流密度和电压的影响规律。

金属燃料电池MnO₂催化阴极研究

魏松波 刘合 魏然 陈琳
中国石油勘探开发研究院

摘要：本论文制备了含MnO₂催化材料的系列金属燃料电池阴极。研究了催化剂浆料超声时间和阴极干燥温度对电极性能的影响规律，催化剂浆料的超声处理时间分别选用20 min、40 min和60 min，阴极的干燥温度分别选用90℃、120℃和150℃；开展了电极的显微结构和放电特性研究，研究结果表明浆料超声时间和阴极干燥温度对放电电流密度有显著影响，而对电压影响不明显；进一步研究了氧气对电流密度和电压的影响规律，研究发现氧气流能进一步提高电池的放电电流密度；对实验结果进行了分析和讨论。

关键词：金属燃料电池，阴极，电流密度，超声波分散，氧气供应

作者简介：刘合院士，能源与矿业工程管理专家，黑龙江省哈尔滨市人。1982年毕业于大庆石油学院石油矿场机械专业，2002年获哈尔滨工程大学控制理论及控制工程博士学位。现为中国石油勘探开发研究院副总工程师。

    我国采油工程领域的领军人物之一，创建了采油工程技术与管理“持续融合”工程管理模式，攻克了精细分层注水、油气储层增产改造等一系列采油工程关键技术，解决了尾矿资源最大化利用和低品位储量规模效益开发的重大难题。获国家科技进步特等奖1项、二等奖3项，国家技术发明二等奖1项；省部级科技一等奖8项;获授权发明专利24项；出版著作3部，发表论文70余篇。

Cite this article: Songbo WEI, He LIU, Ran WEI, et al. Cathodes with MnO₂ catalysts for metal fuel battery. Front. Energy, 2019, 13(1): 9-15