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我国锂空气二次电池实用化研究获系列进展

2014-11-05 09:36
铁马老言
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  锂空气二次电池(Nonaqueous Rechargeable Li-air Batteries)理论上具有3505 Wh/kg或3436 Wh/l的能量密度。如果能成功应用于电动汽车,则有望实现与燃油汽车相比拟的续航里程(>500公里)。正因如此,近几年来锂空气二次电池成为研究热点。但是,前期研究表明,锂空气电池的实用化面临诸多问题和挑战。例如,电池的循环次数受限、能量转换效率低以及倍率性能差等。这些问题使很多人对锂空气电池的应用前景产生了怀疑,对是否需要开展相关研发犹豫不决。因此,当前迫切需要针对锂空气电池实用化的关键问题开展研究,解析导致这些问题的根本原因及怎样获得解决以上问题的有效方案,真正推进锂空气电池的发展。

  中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室离子导电能量转换材料与薄膜锂电池研究课题组围绕锂空气二次电池的实用化开展研究,取得了一系列进展:

  (1)针对电池的循环寿命问题,率先采用垂直定向碳纳米管作为空气电极,实现了关键反应产物Li2O2放电成核、长大以及充电溶解演变过程的可视化(如图1所示)。揭示了空气电极上Li2O2的可逆生成和分解是保证电池反复循环的核心,由副反应导致的碳酸盐的累积是电池循环容量衰减的主要因素(J.Phys.Chem.C,117,2013,2623-2627;J.PowerSources235,2013,251-255)。

  图1:电池充放电过程中空气电极表面产物形貌和成分的演变

  进而通过控制电池工作过程中的锂氧反应深度,实现了Li2O2可逆性的增强、副产物碳酸盐生成的抑制,极大提高了电池的循环寿命(如图2所示)(Adv.Energy.Mater.,3,2013,1413-1416;EnergyTechnol.2,2014,317-324;J.Inorg.Mater.,29,2014,113-123)。

  图2:电池放电深度和充电截至电压对电池循环寿命的影响

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