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锂空气电池或先用于充电电池 而非汽车电池

导读: 如果电动汽车想要与化石燃料汽车的行驶范围相匹配,它们的电池便需要储存更多的能量。这其中,锂—空气电池是最佳的候选能源,但这种电池一直存在严重的障碍。如今,英国剑桥大学的化学家研制出一种更持久的设计方案,为克服这些问题带来了希望,从而把这项技术朝实用化方向推进了一大步。

  如果电动汽车想要与化石燃料汽车的行驶范围相匹配,它们的电池便需要储存更多的能量。这其中,锂—空气(锂—氧)电池是最佳的候选能源,但这种电池一直存在严重的障碍。如今,英国剑桥大学的化学家研制出一种更持久的设计方案,为克服这些问题带来了希望,从而把这项技术朝实用化方向推进了一大步。

  美国宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学材料化学家Yury Gogotsi表示,由剑桥的Clare Grey和她的同事设计的这款电池是一种小型实验室原型,距离汽车电池组还有很长的路要走,但他们对于材料的创新组合“解决了几个主要的锂—氧技术问题”。

  Gogotsi指出,发表在10月30日出版的《科学》杂志上的这项研究工作“看起来确实很有趣”,但他强调,“这仍仅仅是关于一个小电池的出色的科学—实验室工作”,而没有向市场技术靠拢。

  锂—空气电池也被称为呼吸电池,能够利用锂金属与空气中的氧发生反应所产生的能量。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,产生一种叫作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,但在实际应用时却存在多个重大缺陷。

  据介绍,锂—空气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。

  在这项最新工作中,研究人员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。

  研究人员开发出的锂—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。

  研究人员指出,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。

  美国帕洛阿尔托市博世研究与技术中心锂—空气电池专家Jake Christensen表示:“据我所知,这是这种特殊的材料组合第一次得到了研究。”但他指出要想商业化依然面临几个问题。Christensen特别强调,这种电池提供的电流密度约为汽车所需的1/50到1/20。

  “我们最好的表现获得的是非常低的电流密度。”Grey承认,“因此我们距离一辆车所需的电池能量还很远。”她强调,如果这项技术能够投入实际应用,它最先可能将用于充电电池,而非汽车电池。

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