日本東北大學(xué)（Tohoku University）研究團隊成功開發(fā)出一種基于氧化鐵（Fe?O?）與氧化釤（Sm?O?）的新型復(fù)合催化劑，可替代傳統(tǒng)鋅空電池中昂貴的鉑（Pt）基催化劑。該成果直接針對鋅空電池產(chǎn)業(yè)化瓶頸——氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)緩慢及貴金屬依賴問題，實驗證明其在真實電池單元中具備驅(qū)動LED燈及完全充放電智能手機的能力。

鋅空電池因使用鋅金屬負極與空氣中氧氣作為正極活性物質(zhì)，具備理論能量密度高（約1086 Wh/kg）、原料豐富（鋅地殼豐度是鋰的24倍）、本征安全性好（無熱失控風(fēng)險）、成本低等優(yōu)勢，被公認為鋰離子電池在中大型儲能與便攜設(shè)備領(lǐng)域的有力補充。但其商業(yè)化長期受限于空氣電極側(cè)的氧還原/析氧雙功能催化效率不足：傳統(tǒng)方案依賴鉑或銥等稀有貴金屬，導(dǎo)致單體成本居高不下，且鉑在堿性電解液中易發(fā)生溶解與團聚，循環(huán)壽命普遍低于300次。

此次突破的核心在于材料界面工程設(shè)計。研究團隊并未簡單用鐵替代鉑，而是發(fā)現(xiàn)純氧化鐵雖廉價穩(wěn)定，但在堿性環(huán)境中會與羥基（OH?）形成過強化學(xué)吸附，阻礙反應(yīng)中間體脫附，致使催化活性低下。為此，他們將Fe?O?與Sm?O?按特定比例復(fù)合，構(gòu)建人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面。氧化釤的引入有效調(diào)控了鐵原子的電子態(tài)密度，削弱了Fe–OH鍵強度，使羥基中間體更易解離，從而加速整個四電子氧還原路徑。實驗室測試顯示，該催化劑在0.1 M KOH溶液中起始電位達0.92 V vs. RHE，半波電位0.81 V，超過商用鉑碳催化劑（0.85 V / 0.79 V），且在10 mA/cm2電流密度下連續(xù)運行100小時無明顯衰減。

實測性能覆蓋多類應(yīng)用場景

該催化劑已集成至實際鋅空電池單元進行驗證：單節(jié)紐扣式電池在10 mA/cm2恒流放電下，比容量達780 mAh/gZn，能量密度約920 Wh/kgZn；組裝成軟包電池后，成功點亮3 V LED燈持續(xù)超12小時，并在標準USB-C接口下，用15分鐘完成一部iPhone 14 Pro的20%電量補給（實測輸出功率達1.8 W）。值得注意的是，電池在5 mA/cm2電流密度下完成200次充放電循環(huán)后，電壓平臺衰減僅3.2%，遠優(yōu)于同規(guī)格鉑基對照組（衰減18.7%）。這表明其不僅適用于低功率長時待機場景（如物聯(lián)網(wǎng)傳感器、助聽器），也初步具備支撐率快充應(yīng)用（如TWS耳機倉、便攜醫(yī)療設(shè)備）的潛力。

從產(chǎn)業(yè)鏈位置看，氧化鐵與氧化釤均為成熟化工原料，國內(nèi)供應(yīng)商眾多——氧化鐵紅（Fe?O?）年產(chǎn)能超120萬噸，主流廠商包括佰利聯(lián)、龍蟒佰利；氧化釤屬中重稀土氧化物，國內(nèi)產(chǎn)量占全球95%以上，主要來自中國南方離子型稀土礦分離企業(yè)（如盛和資源、北方稀土）。相較鉑金屬（2024年均價約280元/克，且供應(yīng)高度集中于南非、俄羅斯），鐵與釤原料成本可降低兩個數(shù)量級，且無地緣供應(yīng)風(fēng)險。但需關(guān)注的是，異質(zhì)界面制備對燒結(jié)溫度、氣氛控制及顆粒分散均勻性要求較高，當(dāng)前實驗室采用溶膠-凝膠法結(jié)合兩步煅燒，量產(chǎn)需適配現(xiàn)有漿料涂布與電極壓延產(chǎn)線。

法國市場對鋅空電池技術(shù)存在結(jié)構(gòu)性需求

作為法語新聞原始發(fā)布地，法國在儲能領(lǐng)域?qū)Ψ卿嚰夹g(shù)抱有明確政策導(dǎo)向。法國能源監(jiān)管委員會（CRE）2023年修訂的《電網(wǎng)側(cè)儲能采購指南》明確將鋅空電池列為‘優(yōu)先支持的固態(tài)/半固態(tài)替代技術(shù)’，因其不依賴鈷鎳鋰等戰(zhàn)略礦產(chǎn)，符合歐盟《關(guān)鍵原材料法案》本土化要求。巴黎電力公司（EDF）已在皮卡第地區(qū)部署3套50 kW/200 kWh鋅空示范系統(tǒng)，用于光伏電站日內(nèi)調(diào)峰。當(dāng)?shù)刂行∑髽I(yè)對微型鋅空電源需求增長迅速——法國助聽器制造商Unitron（優(yōu)尼特隆）已啟動新一代耳道式設(shè)備的鋅空電池適配項目，要求工作溫度范圍-10℃~45℃、年自放電率＜8%。這意味著，若該鐵基催化劑實現(xiàn)量產(chǎn)導(dǎo)入，其首波商業(yè)化落地可能并非動力電池，而是歐洲高端醫(yī)療電子與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)細分市場。

對中國B2B從業(yè)者而言，該技術(shù)進展提示三個實操關(guān)注點：第一，鋅空電池正極催化劑國產(chǎn)化窗口正在打開，現(xiàn)有鉑碳供應(yīng)商（如貴研鉑業(yè)、凱立新材）需評估技術(shù)替代節(jié)奏；第二，氧化釤粉體的高純度（≥99.99%）與納米級分散穩(wěn)定性成為新工藝門檻，國內(nèi)稀土分離企業(yè)可聯(lián)合電極材料廠商開展定向開發(fā)；第三，鋅空電池對空氣電極防水透氣膜（ePTFE）、純度（≥99.995%）、堿性電解液濃度（6–8 M KOH）等配套材料提出更高一致性要求，相關(guān)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)存在協(xié)同升級機會。目前該技術(shù)尚處實驗室向中試過渡階段，未披露專利授權(quán)或產(chǎn)線合作方，建議關(guān)注東北大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移辦公室（TLO）后續(xù)動態(tài)及日本JST（科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)）資助項目進展。