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剑桥大学突破“终极电池”难题 锂空气电池有望实用化

导读: 多年来,锂-空气电池被业界誉为“终极电池”,因为理论上它可使电动车续航能力接近传统汽油汽车,甚至可用于电网储电。英国剑桥大学研究人员29日报告说,他们克服了困扰锂-空气电池的多个技术难题,把这项技术朝实用化方向推进了一大步。

  多年来,锂-空气电池被业界誉为“终极电池”,因为理论上它可使电动车续航能力接近传统汽油汽车,甚至可用于电网储电。英国剑桥大学研究人员29日报告说,他们克服了困扰锂-空气电池的多个技术难题,把这项技术朝实用化方向推进了一大步。

  这项成果发表在新一期美国《科学》杂志上,该杂志还专门为此举行了电话记者会。

  论文第一作者、剑桥大学的刘韬博士在接受记者采访时介绍说,近20年来,锂-空气电池在全球被广泛研究。典型情况下,这种电池使用锂金属作为负极材料,正极则为多孔的导电碳材料。放电时,从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应,产生一种叫过氧化锂的固体产物,填充于碳电极的孔隙中。充电时,化学过程逆转,过氧化锂被分解释放氧气。该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍,但实际应用时却存在多个重大缺陷。

  刘韬说,该电池的反应产物过氧化锂及反应中间产物超氧化锂都有较高的反应活性,会分解电解液,因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降,电池寿命较短;由于过氧化锂导电性能差,充电时很难分解,需要很高的充电电压,还会导致分解电解液及碳电极等副作用;放电时,过氧化锂会堵塞多孔碳电极,导致放电提前结束;充电时,锂金属负极表面会以树枝状向正极生长,最终可能导致短路,存在安全隐患;锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应,导致负极材料消耗,最终使电池失效。

  在最新工作中,刘韬等人改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料,利用水和碘化锂作为电解液添加剂,最终产生和分解的是氢氧化锂,而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定,大大降低了电池中的副反应,提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外,似乎还起到了保护锂金属负极的作用,使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它,同量的水会直接使电池失效,完全无法充放电。

  他们开发出的锂-空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克,是现有锂离子电池的约8倍,可循环充放电上千次,首次循环充放电效率高达93%,即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。

  刘韬说,这一工作为加快锂-空气电池的发展提供了许多新思路,比如使用多层次大孔石墨烯电极和电解液添加剂来改变电池反应产物、减少电池副反应、提高蓄电能力等。但他也强调,他们只解决了锂-空气电池的部分难题,接下来将研究该电池的充放电速率以及锂金属负极的保护和安全隐患等问题。

  他说:“这些问题都具有挑战性,例如锂金属树枝状生长导致的安全问题,在锂电池界已存在了多年,必须有重大创新才可能解决此老大难问题。我想在这些关键问题也被解决之前,谈论锂-空气电池何时走向市场还为时尚早。相信我们这次发表的工作会鼓励人们在锂-空气电池技术上有更多的投入。”

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