“終極電池”研究有重大進(jìn)展

多年來(lái)，鋰-空氣電池被業(yè)界譽(yù)為“終極電池”，因?yàn)槔碚撋纤墒闺妱?dòng)車?yán)m(xù)航能力接近傳統(tǒng)汽油汽車，甚至可用于電網(wǎng)儲(chǔ)電。英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員10月29日?qǐng)?bào)告說(shuō)，他們克服了困擾鋰-空氣電池的多個(gè)技術(shù)難題，把這項(xiàng)技術(shù)朝實(shí)用化方向推進(jìn)了一大步。

這項(xiàng)成果發(fā)表在新一期美國(guó)《科學(xué)》雜志上，該雜志還專門為此舉行了電話記者會(huì)。

論文第一作者、劍橋大學(xué)的劉韜博士在接受新華社記者采訪時(shí)介紹說(shuō)，近20年來(lái)，鋰-空氣電池在全球被廣泛研究。典型情況下，這種電池使用鋰金屬作為負(fù)極材料，正極則為多孔的導(dǎo)電碳材料。放電時(shí)，從負(fù)極出發(fā)的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生一種叫過(guò)氧化鋰的固體產(chǎn)物，填充于碳電極的孔隙中。充電時(shí)，化學(xué)過(guò)程逆轉(zhuǎn)，過(guò)氧化鋰被分解釋放氧氣。該電池的蓄電能力理論上是目前市場(chǎng)上鋰離子電池的10倍，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻存在多個(gè)重大缺陷。

劉韜說(shuō)，該電池的反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化鋰及反應(yīng)中間產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應(yīng)活性，會(huì)分解電解液，因此幾個(gè)充放電循環(huán)后電池電量就會(huì)急劇下降，電池壽命較短；由于過(guò)氧化鋰導(dǎo)電性能差，充電時(shí)很難分解，需要很高的充電電壓，還會(huì)導(dǎo)致分解電解液及碳電極等副作用；放電時(shí)，過(guò)氧化鋰會(huì)堵塞多孔碳電極，導(dǎo)致放電提前結(jié)束；充電時(shí)，鋰金屬負(fù)極表面會(huì)以樹枝狀向正極生長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮?dú)?、二氧化碳都?huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)極材料消耗，最終使電池失效。

在最新工作中，劉韜等人改用多層次的大孔石墨烯作為正極材料，利用水和碘化鋰作為電解液添加劑，最終產(chǎn)生和分解的是氫氧化鋰，而不是此前電池中的過(guò)氧化鋰。氫氧化鋰比過(guò)氧化鋰要穩(wěn)定，大大降低了電池中的副反應(yīng)，提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外，似乎還起到了保護(hù)鋰金屬負(fù)極的作用，使電池對(duì)于過(guò)量的水有一定的免疫性。沒(méi)有它，同量的水會(huì)直接使電池失效，完全無(wú)法充放電。

他們開發(fā)出的鋰-空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時(shí)/千克，是現(xiàn)有鋰離子電池的約8倍，可循環(huán)充放電上千次，首次循環(huán)充放電效率高達(dá)93%，即充入電池中93%的能量在放電時(shí)都能被使用。

劉韜說(shuō)，這一工作為加快鋰-空氣電池的發(fā)展提供了許多新思路，比如使用多層次大孔石墨烯電極和電解液添加劑來(lái)改變電池反應(yīng)產(chǎn)物、減少電池副反應(yīng)、提高蓄電能力等。但他也強(qiáng)調(diào)，他們只解決了鋰-空氣電池的部分難題，接下來(lái)將研究該電池的充放電速率以及鋰金屬負(fù)極的保護(hù)和安全隱患等問(wèn)題。

他說(shuō)：“這些問(wèn)題都具有挑戰(zhàn)性，例如鋰金屬樹枝狀生長(zhǎng)導(dǎo)致的安全問(wèn)題，在鋰電池界已存在了多年，必須有重大創(chuàng)新才可能解決此老大難問(wèn)題。我想在這些關(guān)鍵問(wèn)題也被解決之前，談?wù)撲?空氣電池何時(shí)走向市場(chǎng)還為時(shí)尚早。相信我們這次發(fā)表的工作會(huì)鼓勵(lì)人們?cè)阡?空氣電池技術(shù)上有更多的投入。”

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