鋰空氣電池突破技術瓶頸,有機會成為下一代電池技術標準

作者 | 發布日期 2015 年 11 月 02 日 11:49 | 分類 電動車 , 電池 follow us in feedly

10 月 29 日,英國劍橋大學研究人員公布的一份檔案顯示,他們已經開發出一種鋰空氣電池,成功解決這種技術中的部份實際問題——尤其是化學上的不穩定問題。在此之前,由於這種化學上的不穩定,鋰空氣電池會顯示出性能迅速衰退的現象。他們所研製出的鋰空氣電池具有較高的能量密度,並且能夠迴圈充電 2,000 次以上。該電池在理論上的能源使用效率超過 90%。



科學家們非常希望鋰空氣電池有一天能取代我們目前使用的鋰離子電池。「鋰離子充電電池已經被使用了近 25 年,」劍橋大學化學系的 Clare P. Grey 教授在電話中說,「25 年前,結構更為緊湊的鋰離子電池為可擕式電子產品的出現鋪平了道路,使我們隨身攜帶的電子裝置變得更為輕巧便攜。鋰離子電池技術在當時更適合消費者,而如今,是時候讓鋰空氣電池來替代它了。」

沒有哪位化學家或工程師會說,鋰離子電池是完美的。隨著電動汽車的越來越普及,研究人員也開始將精力集中在研究鋰空氣電池上。因為鋰空氣電池比鋰離子電池輕的多,更輕的汽車意味著更長的續航里程。可以肯定的是,鋰空氣電池在理想情況下具有更高的能量密度。理論上說,只有這種電池能讓電動汽車在不必攜帶巨大而笨重的電池組的情況下,擁有可媲美汽油車及柴油車的續航里程。

 

仍需 10 年才能投入商用

在一份新聞稿中,劍橋大學的科學家們表示,雖然他們的研究已經成功克服了鋰空氣電池技術中最大的障礙,但是將鋰空氣電池用於商業用途至少還需要 10 年的時間。

鋰空氣電池的基本化學原理十分簡單。放電時,從負極出發的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應,產生一種叫過氧化鋰的固體產物,填充於碳電極的孔隙中。充電時,化學過程逆轉,過氧化鋰被分解釋放氧氣。

鋰空氣電池的原型其實在很早之前就已經被成功製造出來,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,而由於鋰金屬在化學上具有極其不穩定性,實際應用時存在多個重大缺陷。如何可靠地令上述反應在許多週期內反覆發生,則是該技術面臨的最大挑戰。

電池的反應產物過氧化鋰及反應中間的產物超氧化鋰都有較高的反應活性,會分解電解液,因此幾個充放電迴圈後電池電量就會急劇下降,電池壽命較短;由於過氧化鋰導電性能差,充電時很難分解,需要很高的充電電壓,這還會導致分解電解液及碳電極等副作用。

雷鋒網配圖

放電時,過氧化鋰會堵塞多孔碳電極,導致放電提前結束;充電時,鋰金屬負極表面會呈樹枝狀向正極生長,最終可能導致短路,存在安全隱患;鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發生反應,導致負極材料消耗,最終使電池失效。

 

化學穩定性得到提升

劍橋大學的研究人員改用多層次的大孔石墨烯做為正極材料,利用水和碘化鋰做為電解液添加劑,最終產生和分解的是氫氧化鋰,而不是之前電池中的過氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩定,大大降低了電池中的副反應,提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外,似乎還起了保護鋰金屬負極的作用,使電池對於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。由於石墨烯氧化物具有多孔性,研究人員估計這種電池可迴圈超過 2,000 次。

雷鋒網配圖

研究人員在新聞發表會上表示,他們將鋰空氣電池中的電壓間隙降低到了 0.2V,成功提高了電池性能和效率。他們所開發出的鋰空氣電池模型蓄電能力約為 3,000瓦時 / 千克,是現有鋰離子電池的約 8 倍,可迴圈充放電上千次,首次迴圈充放電效率高達 93%,即充入電池中 93% 的能量在放電時都能被使用。

 

仍有技術難關需解決

但當前鋰空氣電池仍然存在一些問題。電壓間隙的減小以及石墨烯氧化物電極的大容量導致其只能容納較小倍率的充放電,位於電池負極的金屬鋰有時仍會形成影響電池性能的樹突。而且,空氣裡不僅有氧氣,在空氣中的其他的化合物也可能導致鋰空氣電池不穩定。

而這些問題的尚未解決,也意味著鋰空氣電池目前還是不能真正的投入商用。研發新的電池技術是很容易的,但是要將其真正投入使用還是需要解決許多技術上的難關。研究人員表示他們目前正與多家公司合作,力求儘快推進這項技術。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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