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详解MIT新型锂氧电池 或解决电动汽车续航“焦虑”

导读: 由麻省理工主导的研究团队日前公布了新研发的锂氧电池,由于具备更轻的重量、使用固态氧元素并且自带防止过度充电机制,其较锂空气电池具有明显优势,有望在电动汽车领域推广,解决续航里程以及电池安全问题。

  据报道,由麻省理工主导的研究团队日前公布了新研发的锂氧电池,由于具备更轻的重量、使用固态氧元素并且自带防止过度充电机制,其较锂空气电池具有明显优势,有望在电动汽车领域推广,解决续航里程以及电池安全问题。

  对于电动汽车以及其他便携电子设备领域来说,由于良好的能量重量比,锂空气电池(Lithium-air battery)被认为是非常有前景的技术。但其实,锂空气电池本身存在着严重的缺陷,电量以热能的形式流失,而且电池降解速度非常快。由于使用开路电池的配置,锂空气电池需要昂贵的辅助设施来吸入并排出氧气,这与传统的密闭电池大相径庭。

  不过,一种化学电池的新变体或许能够解决这所有的问题。它可以使用传统方式,完全封闭,而且能够提供像锂空气电池那样的电池性能,而且完全克服了锂空气电池的缺点。这种新的电池理念被《自然能量》(Nature Energy)称作“nanolithia cathode battery”(意译:纳米锂氧阴极电池)。据介绍,新研究成果由麻省理工学院MIT核科学与工程学院教授李巨领衔,与MIT、阿贡国家实验室、北京大学等另外几名成员共同研究的成果。

  李巨表示,锂空气电池的一大缺点是电池充电与放电时电压的不匹配。电池的输出电压比充电时的电压要低1.2伏还要多,这意味着在每一次完整充电过程中,都会产生巨大的能量损失。李巨说:“在充电时,约30%的电量以热量的形式流失,如果你充电速度过快,它都可以自燃了。”

详解MIT新型锂氧电池 或解决电动汽车续航“焦虑”

  氧—保持固态

  传统的锂空气电池的工作原理是这样的:在放电过程中,锂空气电池从外界吸收氧气,并与电池的锂产生化学反应。在充电过程中,则产生相反的化学反应,氧被重新释放到空气中。在这种新的变体电池中,在充电与放电过程中,锂元素与氧气进行同样的电化学反应,但整个过程中根本不需要氧元素的气态变化。

  相反,氧元素一直以固态形势存在,并可在三种氧化还原状态中直接切换,产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂LiO2,这三种化合物以玻璃形态混合在一起。这样的话,电压损耗情况可以改善5倍以上,从1.2伏减为0.24伏,所以,仅有8%的电能被转换成了热量。李巨表示:“这意味着汽车可以快速充电,因此电池组发烫的情况会解决,不再构成安全隐患,而且电池的能源效率得到了保障。”

  此外,新电池还解决了锂空气电池的另一大问题。由于在充电与放电过程中,化学反应使氧以气态以及固态的形式存在,当氧经历巨大的体积变化时,这会扰乱电池内部的电传导路径,严重损害了电池的寿命。

  据介绍,新型电池的奥秘在于创建一个极小的微粒,大约在纳米级别,成玻璃状的微粒可同时包含锂与氧,并紧紧被包围在氧化钴(cobalt oxide)的小矩阵里。研究人员将这些微粒称作纳米锂氧(nanolithia)。李巨表示,在这种形态下,氧化锂、过氧化锂以及超氧化锂的转换可以完全以固态形式发生。

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