劍橋大學(xué)突破鋰空氣電池瓶頸 一次充電可開650公里

當(dāng)電池的續(xù)航能力不再成為瓶頸，電動汽車的發(fā)展便將進(jìn)入爆發(fā)式發(fā)展階段。這一天已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

根據(jù)英國《金融時報》當(dāng)?shù)貢r間10月30日的報道，劍橋大學(xué)(Cambridge University)在電化學(xué)領(lǐng)域的一項突破，或?qū)⒋呱沙潆姷某夒姵?。這種電池在給定空間內(nèi)存儲的能量是目前最好電池的五倍，可大大拓展電動汽車的續(xù)航里程，并可能大幅改觀電力存儲的經(jīng)濟(jì)效益。

鋰空氣電池工作原理

該動力電池為鋰空氣電池，高比能量鋰空氣電池是未來大容量純電動汽車潛在的動力電源技術(shù)之一，被認(rèn)為是未來的發(fā)展方向。不過，可查資料顯示，由于空氣鋰電池的充電動力學(xué)速率低限制了其實(shí)際性能的提升，導(dǎo)致其過電位高、循環(huán)性能差、電流密度低、電極材料不穩(wěn)定、電解質(zhì)分解等問題。

劍橋大學(xué)的化學(xué)教授克萊爾•格雷(Clare Grey)和她的團(tuán)隊攻克了鋰空氣電池開發(fā)中的技術(shù)難關(guān)。

金融時報稱，如果能把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的演示品轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐罚瑢⒘钇囍怀湟淮坞娋湍苄旭偧s650公里。

發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊上的一篇研究論文顯示，劍橋的這個團(tuán)隊攻克了這種技術(shù)中的部分實(shí)際問題——尤其是化學(xué)上的不穩(wěn)定問題。在此之前，由于這種化學(xué)上的不穩(wěn)定，鋰空氣電池會顯示出性能迅速衰退的現(xiàn)象。

格雷教授表示：“我們?nèi)〉玫某删褪惯@項技術(shù)向前邁出了重要一步，預(yù)示著全新的研究領(lǐng)域。我們?nèi)晕慈P解決這一化學(xué)機(jī)制所固有的問題，但我們的成果確實(shí)揭示了前行的道路。”

和目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術(shù)相比，鋰空氣電池理論上擁有巨大的優(yōu)勢——其能量密度可能要高10倍——以至于全球的研究人員都在開展鋰空氣電池的研究。

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介紹說，近20年來，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，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)生一種叫過氧化鋰的固體產(chǎn)物，填充于碳電極的孔隙中。充電時，化學(xué)過程逆轉(zhuǎn)，過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上鋰離子電池的10倍，但實(shí)際應(yīng)用時卻存在多個重大缺陷。

劉韜說，該電池的反應(yīng)產(chǎn)物過氧化鋰及反應(yīng)中間產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應(yīng)活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環(huán)后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短;由于過氧化鋰導(dǎo)電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，還會導(dǎo)致分解電解液及碳電極等副作用。

放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導(dǎo)致放電提前結(jié)束;充電時，鋰金屬負(fù)極表面會以樹枝狀向正極生長，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)?、二氧化碳都會發(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氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩(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，使電池對于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會直接使電池失效，完全無法充放電。

他們開發(fā)出的鋰-空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時/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%的能量在放電時都能被使用。

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