新材料讓鋰空氣電池更加耐用 電動汽車有望遠程
時間:2015-11-03 08:51來源:中國科學報 作者:西顧
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如果電動汽車想要與化石燃料汽車的行駛范圍相匹配，它們的電池便需要儲存更多的能量。這其中，鋰—空氣（鋰—氧）電池是最佳的候選能源，但這種電池一直存在嚴重的障礙。如今，英國劍橋大學的化學家研制出一種更持久的設計方案，為克服這些問題帶來了希望，從而把這項技術朝實用化方向推進了一大步。
美國賓夕法尼亞州費城德雷塞爾大學材料化學家Yury Gogotsi表示，由劍橋的Clare Grey和她的同事設計的這款電池是一種小型實驗室原型，距離汽車電池組還有很長的路要走，但他們對于材料的創新組合“解決了幾個主要的鋰—氧技術問題”。
Gogotsi指出，發表在10月30日出版的《科學》雜志上的這項研究工作“看起來確實很有趣”，但他強調，“這仍僅僅是關于一個小電池的出色的科學—實驗室工作”，而沒有向市場技術靠攏。
鋰—空氣電池也被稱為呼吸電池，能夠利用鋰金屬與空氣中的氧發生反應所產生的能量。近20年來，鋰—空氣電池在全球被廣泛研究。典型情況下，這種電池使用鋰金屬作為負極材料，正極則為多孔的導電碳材料。放電時，從負極出發的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應，產生一種叫作過氧化鋰的固體產物，填充于碳電極的孔隙中。充電時，化學過程逆轉，過氧化鋰被分解釋放氧氣。該電池的蓄電能力理論上是目前市場上鋰離子電池的10倍，但在實際應用時卻存在多個重大缺陷。
據介紹，鋰—空氣電池的反應產物過氧化鋰及反應中間產物超氧化鋰都有較高的反應活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，還會導致分解電解液及碳電極等副作用；放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導致放電提前結束；充電時，鋰金屬負極表面會以樹枝狀向正極生長，最終可能導致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。
在這項最新工作中，研究人員改用多層次的大孔石墨烯作為正極材料，利用水和碘化鋰作為電解液添加劑，最終產生和分解的是氫氧化鋰，而不是此前電池中的過氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩定，大大降低了電池中的副反應，提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外，似乎還起到了保護鋰金屬負極的作用，使電池對于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會直接使電池失效，完全無法充放電。
研究人員開發出的鋰—空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時/千克，是現有鋰離子電池的約8倍，可循環充放電上千次，首次循環充放電效率高達93%，即充入電池中93%的能量在放電時都能被使用。
研究人員指出，這一工作為加快鋰—空氣電池的發展提供了許多新思路，比如使用多層次大孔石墨烯電極和電解液添加劑來改變電池反應產物、減少電池副反應、提高蓄電能力等。
美國帕洛阿爾托市博世研究與技術中心鋰—空氣電池專家Jake Christensen表示：“據我所知，這是這種特殊的材料組合第一次得到了研究。”但他指出要想商業化依然面臨幾個問題。Christensen特別強調，這種電池提供的電流密度約為汽車所需的1/50到1/20。
“我們最好的表現獲得的是非常低的電流密度。”Grey承認，“因此我們距離一輛車所需的電池能量還很遠。”她強調，如果這項技術能夠投入實際應用，它最先可能將用于充電電池，而非汽車電池。
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