鋰空氣電池以二維材料為催化劑,能讓電動車充一次電跑 800 公里

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 14 日 17:51 | 分類 尖端科技 , 材料 , 零組件 follow us in feedly

目前,裝備鋰離子電池的電動車每次充電平均可行駛約 160 公里,但伊利諾大學芝加哥分校新研究表明,隨著結合過渡金屬二硫屬化物為催化劑的鋰空氣電池問世,未來電動車每次充完電可以暢跑將近 800 公里。



鋰空氣電池(Lithium–air battery)的陽極(負極)採用金屬鋰,陰極(正極)材料則是空氣中的氧,能夠儲存比鋰離子電池多 10 倍的能量,且重量更輕。

若能再結合由二維材料製成的先進催化劑,用來提高電池內部化學反應速率,讓電池提供更多電荷,那麼根據催化劑材料類型不同,還能讓鋰空氣電池的性能更上一層樓,是電動車、手機、電腦下一代電池革命性替代品。有了鋰空氣電池,這些產品全部可以變成續航力怪獸。

最近伊利諾大學芝加哥分校(UIC)團隊便合成了 15 種不同類型的過渡金屬二硫屬化物,將之做為鋰空氣電池的催化劑材料,並在模擬鋰空氣電池的電化學系統中,測試這 15 種 TMDC 催化劑的性能。

過渡金屬二硫屬化物(transition metal dichalcogenide,TMD、TMDC)是一種二維材料的統稱,由元素週期表上部過渡金屬與硫族元素排列組合形成,較有名的組合比如二硒化鎢(WSe 2 );去年年末,成大物理系吳忠霖教授團隊研發出一款破紀錄的單原子層二極體,即是使用二硒化鎢材料。

TMDC 具有高電子傳導性、原子級厚度、直接能隙(單層結構)、快速電子轉移等優點,表現出極優秀的光電相互作用,是理想的發光二極體、柔性太陽能電池、高載子遷移率電晶體。

根據實驗結果,研究第一作者、機械與工業工程學院研究生 Leily Majidi 指出,TMDC 催化劑的反應速率比傳統金、鉑催化劑還要高,表現如此好的原因之一,是因為 TMDC 材料具有更好的電子特性和更大的反應表面積,有助於加速電池中的充放電反應,且同時結構保持穩定;此外,二維材料與液態電解質可說是強強聯手,有助於電子更快轉移,實現更快的充電速度與更高效的儲存、放電能量。

這些新二維材料能將電池能量提升不只一個層次,只不過,鋰空氣電池目前仍處於開發實驗階段,科學家還得先找到有效、可大規模生產鋰空氣電池的方法。

新論文發表在《Advanced Materials》期刊。

(首圖來源:伊利諾大學芝加哥分校

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