“呼吸電池”為遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車帶來希望

如果電動(dòng)汽車想要與化石燃料汽車的行駛范圍相匹配，它們的電池便需要儲(chǔ)存更多的能量。這其中，鋰—空氣(鋰—氧)電池是最佳的候選能源，但這種電池一直存在嚴(yán)重的障礙。如今，英國劍橋大學(xué)的化學(xué)家研制出一種更持久的設(shè)計(jì)方案，為克服這些問題帶來了希望，從而把這項(xiàng)技術(shù)朝實(shí)用化方向推進(jìn)了一大步。

美國賓夕法尼亞州費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)材料化學(xué)家Yury Gogotsi表示，由劍橋的Clare Grey和她的同事設(shè)計(jì)的這款電池是一種小型實(shí)驗(yàn)室原型，距離汽車電池組還有很長的路要走，但他們對(duì)于材料的創(chuàng)新組合“解決了幾個(gè)主要的鋰—氧技術(shù)問題”。

Gogotsi指出，發(fā)表在10月30日出版的《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)研究工作“看起來確實(shí)很有趣”，但他強(qiáng)調(diào)，“這仍僅僅是關(guān)于一個(gè)小電池的出色的科學(xué)—實(shí)驗(yàn)室工作”，而沒有向市場技術(shù)靠攏。

鋰—空氣電池也被稱為呼吸電池，能夠利用鋰金屬與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。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(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)生一種叫作過氧化鋰的固體產(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，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻存在多個(gè)重大缺陷。

據(jù)介紹，鋰—空氣電池的反應(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(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，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。

在這項(xiàng)最新工作中，研究人員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(duì)于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會(huì)直接使電池失效，完全無法充放電。

研究人員開發(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。

研究人員指出，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。

美國帕洛阿爾托市博世研究與技術(shù)中心鋰—空氣電池專家Jake Christensen表示：“據(jù)我所知，這是這種特殊的材料組合第一次得到了研究。”但他指出要想商業(yè)化依然面臨幾個(gè)問題。Christensen特別強(qiáng)調(diào)，這種電池提供的電流密度約為汽車所需的1/50到1/20。

“我們最好的表現(xiàn)獲得的是非常低的電流密度。”Grey承認(rèn)，“因此我們距離一輛車所需的電池能量還很遠(yuǎn)。”她強(qiáng)調(diào)，如果這項(xiàng)技術(shù)能夠投入實(shí)際應(yīng)用，它最先可能將用于充電電池，而非汽車電池。

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