新的化學(xué)方法有望克服鋰-空氣電池的缺陷
在同等重量下，鋰-空氣電池可以提供更多電力，因此被廣泛應(yīng)用于電動汽車和其他移動電子設(shè)備。然而，鋰-空氣電池有不少缺點：發(fā)熱高(大量化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能而沒有提供給設(shè)備)、壽命短、制作工藝昂貴而復(fù)雜(向電池內(nèi)充放空氣需要價格昂貴的設(shè)備，并且非常麻煩)。
近日，麻省理工學(xué)院核工程教授李巨，博士后朱志(音譯，ZhiZhu)及其他五位工作于麻省理工、阿爾貢國家實驗室和北京大學(xué)的作者在《自然˙能源》期刊發(fā)文，報道了一種被稱為“納米鋰陰極”的新技術(shù)，該技術(shù)可以用來制造性能和鋰-空氣電池相仿的封閉式鋰電池，以克服上述問題。
李巨表示，鋰-空氣電池的弱點之一是充電和放電電壓不等，放電電壓比充電電壓低1.2伏，因此每次充電過程中，以熱能形式損失的能量高達30%。“如果你充電太快，你的鋰電池真的有可能燒起來。”
把氣體關(guān)起來
傳統(tǒng)鋰-空氣電池放電時，利用空氣中的氧氣與電池中的鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在充電時，鋰氧化物中的氧又被釋放到大氣中。
新的納米鋰陰極電池同樣利用了氧元素和鋰的作用。區(qū)別在于，放電時，氧不會再以氣體形式釋放，而是被封閉在固體中。具體來說，氧以三種氧化還原態(tài)被封閉在三種固體化合物中——Li2O，Li2O2和LiO2，這三種物質(zhì)又被包繞在二氧化鈷玻璃里。
這么做的好處就是，將納米鋰陰極電池將充放電時的電壓差降低了5倍——從1.2伏降至0.24伏，因此只有8%的能量在充電時以熱能形式損失。這意味著可以對汽車電池以更快的速度充電而不必擔(dān)心過熱起火。
鋰-空氣電池的第二項缺點是：以氣體形式釋放的氧會破壞電池中的離子通道，因此降低了鋰電池的壽命。
新技術(shù)用二氧化鈷玻璃把鋰和氧包裹在納米尺度的空間中，科學(xué)家把這種結(jié)構(gòu)稱為納米鋰。這樣，LiO2，Li2O2，和Li2O的變換就不會改變材料宏觀結(jié)構(gòu)。此外，由于納米鋰顆粒本身非常不穩(wěn)定，而具有納米通道的二氧化鈷玻璃能則正好夠穩(wěn)定它們。二氧化鈷同時還在充放電中扮演了催化劑的角色。
李巨表示，傳統(tǒng)鋰-空氣電池實際上只不過是鋰-氧電池，因為空氣中的水汽和二氧化碳會跟鋰發(fā)生副反應(yīng)，因此鋰-空氣電池使用起來必須配備龐大的輔助系統(tǒng)，以除去水汽和二氧化碳，這是個步非常困難的步驟。而新的固體鋰電池已經(jīng)沒有了這個問題。
自帶防過充功能
新的固體鋰電池還自帶防過充電功能，因為電池中的化學(xué)反應(yīng)會通過負反饋自我調(diào)節(jié)，當(dāng)電充滿時，反應(yīng)自動停止。傳統(tǒng)電池若過充電，將對電池造成不可逆地損害，甚至爆炸。但是固體鋰電池在實驗中連續(xù)充電15天，充電電量百倍于電池容量，但是電池毫發(fā)無損。
在充放電實驗中，固體鋰電池充放電120次，容量只損失2%，這意味著遠遠超過了傳統(tǒng)鋰-空氣電池的壽命。由于固體鋰電池?zé)o需輔助的空氣凈化系統(tǒng)，因此它能便捷地應(yīng)用于電動汽車，甚至是電網(wǎng)級儲能站。
由于固態(tài)氧陰極比鋰離子電池的陰極輕得多，因此新的固體鋰電池可以比同等重量的鋰離子電池儲存多一倍的電量。隨著技術(shù)的改進，新電池的電量還能再提高一倍。
新電池的更大優(yōu)勢在于它無需使用昂貴的稀有材料。該電池的碳酸鹽電解質(zhì)非常便宜。此外，二氧化鈷玻璃比納米鋰顆粒輕50%。因此，與鋰-空氣電池比較，新電池非常便宜，安全，且有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。研究團隊計劃1年內(nèi)完成實用原型的制造。
未參加該項目的俄勒岡州立大學(xué)副教授季旭磊(音譯，XiuleiJi)表示，新型鋰電池技術(shù)的性能相比于傳統(tǒng)的鋰-空氣電池有重大進步。超氧化物溶質(zhì)在碳酸鹽電介質(zhì)中工作得很好，完全無需氧氣的介入。在充放電過程中，陰極材料都是固體，因此新電池的安裝和使用很方便。 
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