具重量輕、能量密度高優勢,鋰空氣電池發展潛力大

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 31 日 15:34 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 電池 follow us in feedly

若是厭倦每天都要花時間幫手機充電,以及漫長的電動車充電時間,人們或許可以將希望放在科學家正研發的鋰空氣電池。




鋰空氣電池(lithium-air)是種金屬空氣電化學電池,陽極採用金屬鋰,陰極材料則是幾乎無重量的氧,相較於其他電池,鋰空氣電池重量較輕,其也具有相當大的儲能潛力,理論能量密度比常見的鋰離子電池高 5-6 倍,基本上可與汽油相媲美,若是用於電動車,續航里程更可高達 800 公里。

可是該技術商業化仍有待突破,假如電池中的鋰離子與空氣中的二氧化碳、水蒸氣接觸,就會在陽極形成副產品,進而降低電池性能與壽命,再加上目前鋰空氣電池的電流密度較低,還無法像鋰離子電池一樣快速充放電,該技術得解決上述問題才能跨出實驗室。

由美國堪薩斯大學機械工程助理教授 Xianglin Li 率領的團隊便打算助鋰空氣電池一臂之力,想進一步了解並加以改進電池陰極的功能。Li 教授指出,陰極是空氣進入的地方,必須要透過奈米孔洞來過濾空氣並吸收氧氣,奈米孔洞大小、結構、連接度與濕潤性(wettability)為一大研究要點。

目前該團隊正在美國卡內基梅隆大學進行奈米級研究,該大學擁有一組奈米級量測裝置,解析度可達20-30nm,Li 教授想藉此觀察鋰空氣電池的電極,並改善氧氣通過電極速度太慢的挑戰。

▲ 電極氧氣分布模擬圖,紅色表示濃度較高,黑色表示濃度較低。

通常電池的電化學反應都發生在電極與電解質之間的接面,科學家雖然可以透過奈米材料打造高表面積電極,提升氧氣接觸面積,但是奈米孔的電阻較高,質量傳遞速度非常緩慢。

且鋰空氣電池採用液態電解質,氧氣傳遞速度也很慢──這就像人們無法透過沾水的紙張來呼吸一樣,因此團隊正努力在電極中打造氣相(gas phase),讓氧氣可以在電極快速轉移,若該研究有成,鋰空氣電池有望在幾年內商業化。

近年來人們對於鋰空氣電池的關注從來沒有少,美國伊利諾大學芝加哥分校(UIC)與阿貢國家實驗室在 2018 年也有所突破,研發新型電解液,並在鋰陽極包覆一層碳酸鋰(lithium carbonate)層,可以防止陽極與其他氣體反應而劣化,成功讓電池在700 次充放循環後仍可保持高效率運作;滑鐵盧大學化學系則將有機電解質換成更穩定的無機熔鹽、多孔碳陰極則換成二功能金屬氧化物觸媒,其庫倫效率已接近 100%。

不少科學家已提出許多新穎想法,但在實際找到可商業生產鋰空氣電池的方法之前,該技術僅處於實驗室階段,若想要使用蓄電力超強的電池,還得有賴科學家持續研究。

(首圖為鋰空氣電池的陰極,圖片來源:堪薩斯大學

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