北京理工大学王克亮副研究员团队AFM：金属-空气电池磁电耦合研究

第一作者：王恒威

通讯作者：王克亮*

单位：北京理工大学，清华大学汽车安全与能源研究所

不可再生化石能源枯竭和化石能源引发的环境恶化进一步增加了清洁能源的需求。先进、清洁、高效的能源储能和利用技术是补偿电力波动和清洁能源转型的重要前提，也是一个紧迫的挑战。金属空气电池由于大气提供无限氧气而获得巨大理论能量密度、空气电极开放性结构以及环境友好性，受到越来越多的人们关注，已成为新的潜在电化学能源之一。

金属-空气电池的商业化仍受空气电极动力学缓慢、析氢腐蚀和金属阳极枝晶生长的影响。其中ORR和OER动力学缓慢，空气电极上的过电位很高，导致能量效率低，这与机制复杂的四电子过程有关。目前，通过外加磁场与电化学耦合来提高金属空气电池的性能是一种新的解决方案。介入磁场作为一种跨物理空间传递能量的技术，基于电化学内部形成的磁场效应，促进传质、加速电荷传递和增强电催化能力提高了金属-空气电池的性能。

基于此，来自北京理工大学王克亮副研究员团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Magnetoelectric Coupling for Metal-air Batteries”的综述文章。该文章聚焦金属空气电池传质、传荷和电催化过程，系统性分类总结了金属空气电池中磁场相关机理和特性的研究进展，结合目前研究现状，提出了应用磁场在金属空气电池中的作用机理、效果及应用中存在的问题及展望。

图1.金属空气电池内磁场效应及性能提升策略。

外加磁场（外部磁场和内部微小磁场）可通过磁流体效应和开尔文力效应增强金属-空气电池电化学反应的传质。其中，磁流体效应是电池内引入的磁场使带电粒子或电子的运动路径由直线变为螺旋，这与电解液中带电粒子或电子受到的洛伦兹力方向垂直，而改善传质和离子分布。而开尔文力是磁场驱动的另一种可能的力，它与顺磁材料在外加非均匀磁场下的电催化活性有关。开尔文力可通过加速顺磁性物质(如O₂)传质，减小扩散层厚度和增加极限电流来改善电化学反应。

要点二：磁场加快金属空气电池电荷转移

外加磁场具有增强电流响应、增加电导、促进电解液离子进入电极/电解液界面的特殊能力。霍尔效应和反常霍尔效应是电磁现象，其对电荷转移具有显著影响。在电化学反应中，磁场对电荷转移的影响存在争议。有研究表明，外加磁场对电极与电解质界面上的交换电流和电荷转移动力学几乎没有影响，而一些实验和理论支持的研究表明，磁场促进了电荷的转移。

具体来说，引入磁场后，磁场相位因子可抑制跃迁概率，从而降低总截面绝对值；磁场极化可促进ORR过程氧还原速率，以实现四电子路径。外加磁场可降低电荷转移电阻，增强电荷转移运动，增加对电极表面的可达性，缩短扩散路径长度，并由于洛伦兹力效应加速弛缓时间。

要点三：磁场改善金属空气电池电催化反应

磁场改善金属空气电池电催化反应与自旋选择效应、麦克斯韦应力效应和磁热效应有关。磁场诱导的自旋选择性会选择最优路径，通过限制或不限制自旋态来提高电催化反应的效率。外加磁场下麦克斯韦应力可以影响电化学双层，对于评价电催化反应的特性非常重要。磁场可利用催化剂局部加热效应来提高电池电化学反应的催化效率。

要点四：挑战及展望

金属空气电池中利用磁场可促进传质、加快电荷转移，提高电催化性能，进而改善电化学过程。此外，还可控制电极形貌，辅助电极制备。虽然磁场对金属空气电池性能改善的研究已经在理论和实验中得到证实，但目前磁场在金属空气电池中的应用仍面临诸多挑战，特别是磁辅助金属空气电池的商业化生产和应用还很遥远。磁场在金属空气电池领域所面临的问题，也代表了未来可能的探索方向。

（1）磁场增强金属空气电池性能作用机制尚不系统、全面和统一。具体而言，磁场加速电荷转移的机理尚未得到充分验证，且存在很大争议。电化学系统中各个磁场效应的协同关系是一个值得研究的方向，对理解磁场、电场和流场的耦合机理具有重要价值。

（2）金属-空气电池中的内磁场效应缺乏研究，特别是采用具有不同矫顽力和磁响应的过渡金属氧化物作为电池电极材料。因此，今后可加强对磁场在电池运行全过程中的作用机理的研究，探索更直观的金属空气电池电荷转移的新研究方法。

（3）磁场对电池的影响并不全面，特别是可能的负面影响还没有得到充分的论证和解决。精确实现和去除磁场的方法在电池领域具有重要的研究意义和应用价值，而根据过渡金属氧化物固有的磁性特性制备磁电极有助于集成和简化电池系统。

（4）磁场在电池中的应用有限。磁场在金属空气电池全生命周期过程中的研究还不够充分，特别是在电池元件辅助制造、运行状态检测和电池材料回收等方面。

Magnetoelectric Coupling for Metal-air Batteries

王克亮副研究员：副研究员，博士，北京理工大学副研究员，博士生导师，主要从事金属-空气电池领域的研究。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室客座研究员，国际知名期刊审稿专家，国家自然科学基金、香港基金、北京自然科学基金项目评审专家。主持完成清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金、国家自然科学基金、军委科技委等项目。

主要研究领域：长期从事于金属-空气电池研究，包括枝晶生长和金属电极腐蚀、凝胶电解质和氧氧化还原催化剂研发。以通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等高水平期刊上发表SCI论文四十余篇。

王恒威博士：北京理工大学博士研究生，研究方向为金属-空气电池界面调控，专注于镁、锌空气电池应用研究，以第一作者在Advanced Functional Materials国际Top期刊发表SCI学术论文。

1.金属空气电池及其关键材料研究，包括铝、镁、锌空气电池、水系电池和金属电极防腐蚀等；

2. 凝胶电解质和氧氧化还原催化剂研发，包括柔性可穿戴金属空气电池和双功能催化剂等。

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