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日本新型二次电池挑战锂空气电池

2014-07-24 14:40
kumsing
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  东京大学研究生院水野哲孝教授的研究小组与日本触媒公司共同开发出了采用新原理的二次电池,在正极利用氧化物离子与过氧化物离子之间的氧化还原反应。该研究小组查明,在正极利用在Li2O(氧化锂)晶体内添加Co(钴)形成的物质时,充放电反应中就会有过氧化物生成和消失,由此实现了新原理的电池系统。这种电池的能源密度达到了现行锂离子二次电池的7倍,而且还可增加容量,降低价格,提高安全性。有望作为EV(纯电动汽车)用途及固定蓄电用途的新一代二次电池。

  通常锂离子二次电池在正极使用的是LiCoO2(锂钴氧化物)等容易产生锂离子嵌入/脱离的过渡金属氧化物。由于是由分子量较大的过渡金属来担负氧化还原作用的,所以单位重量的能量密度及容量无法太大。而且锂的价格也很高,因此还存在减少锂的使用量以降低成本的要求。

  而此次的新一代二次电池研究的是在正极利用O2(氧气)分子的氧化还原反应的锂空气电池,理论上可实现最大的能量密度。但这种电池也存在诸多问题,比如放电反应产生的Li2O2(过氧化锂)等会导致正极阻塞;由于是开放结构,因此空气中的水分及CO2(二氧化碳)容易混入,造成电极和电解液劣化;反应中生成的活性氧类物质会导致有机电解液不稳定,等等。因此,一直未能真正投入实用。

  此次东大和日本触媒开发的电池在正极利用Li2O与Li2O2之间的氧化还原反应,在负极利用金属锂的氧化还原反应,两电极活性物质的单位重量的理论容量为897mAh/g,电压为2.87V,理论能量密度为2570Wh/kg。按两电极活性物质的单位重量计算,能量密度达到370Wh/kg,与使用LiCoO2正极和石墨负极的现行锂离子二次电池相比,约为后者的7倍。这种新型电池的理论能量密度虽然不及锂空气电池的3460Wh/kg,但与目前的锂离子二次电池一样采用密闭结构,因此可靠性及安全性出色。

  此次,研究小组使用行星式球磨机在Li2O晶体结构内添加了钴,将其用作正极活性物质。经证实,使用这种正极可实现氧化物与过氧化物间的氧化还原反应可逆的电池系统。同时还实施了过氧化物的定量分析,确认充电反应时正极中有过氧化物生成,放电反应时正极中的过氧化物消失,而且这种反应能够反复发生。此外还确认在能够可逆充放电的范围内没有O2及CO2产生,正极能够实现容量为200mAh/g的反复充放电,同时支持大电流快速充放电。另外,此次使用的正极与现行锂离子二次电池使用的LiCoO2相比,钴的重量比较小,有望降低原料成本。

  “锂空气电池”成为世界各地实验室努力破解的技术

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