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锂空气电池新突破:让续航里程不再头疼

  • 分类:前沿科技
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  • 来源:
  • 发布时间:2012-09-12

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锂空气电池新突破:让续航里程不再头疼

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近年来电动汽车已不仅仅是一个概念,而是在逐步走进人们的生活。不过相比传统燃油汽车火热受捧的局面,电动车却是门可罗雀,与前者形成强烈反差,症结就在于电池的寿命、续航里程依旧让人头疼。

不过科技在进步,创新时刻在发生。最近有研究人员宣布,锂空气电池的稳定性获得突破。如果新技术能投入商用,那么未来电动汽车将有望拥有与传统燃油汽车相同甚至更强的续航能力,电动车不受待见的命运或将由此逆转。

锂空气电池寻求突破

多年来,研究人员一直希望能用锂空气电池代替传统的锂离子电池,因为前者拥有更强的蓄电能力,比性能最好的锂离子电池都要高出 10 倍以上,可提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻。

锂空气电池虽然具有广阔的应用前景,但由于内部结构的不稳定性,难以找到可用的电解液和电极材料,在几次充放电之后就会解体,这让锂空气电池迟迟无法进入消费市场。

锂空气电池在放电时,阳极的锂释放电子后成为锂阳离子,锂阳离子穿过电解质材料,在阴极与氧气以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂或者过氧化锂,并留在阴极,充电过程则相反。整个充放电循环要求有稳定的电极与电解质环境。但是在之前的研究中,人们始终无法维持这两者的稳定性,被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应,从而导致碳棒逐渐解体,几次充放电循环过后,一块锂空气电池就彻底无法使用了。这使得科学家们不得不在研究中另辟蹊径。

以黄金作电极

近日,来自苏格兰圣安德鲁斯大学的研究人员为锂空气电池的突破带来喜讯,其解决方法就是金子。他们的研究成果已发表在《科学》(Science)上。

由彼得·布鲁斯领导的研究人员制造出了一种使用DMSO(二甲亚砜)作为电解液,并用多孔的黄金作为电极的锂空气电池实验模型,这种实验电池在充放电100次以后,其电池容量仍能保持最初的95%。

研究团队将传统的碳阴极换成了惰性的纳米级金阴极,其稳定性要远高于碳棒;他们还将之前由聚碳酸酯(polycarbonates)或聚醚(polyethers)制作的电解液,换成了一种名叫二甲基亚砜(DMSO)的导电溶液,这种溶液不那么容易在阴极发生反应。事实证明他们成功了,新的 “纳米金 - 二甲基亚砜” 组合的稳定性要远远超出原有组合。

“锂离子电池的储能密度很高,从这点来看它是我们的最佳选择。它已经逐渐渗透到我们的生活,包括在电动汽车上的应用。”布鲁斯说,“我们也发现,现在汽车电池的储电量至少再扩充一倍才能真正满足行驶的要求。这一点传统锂离子电池无法企及,所以我们才将目光投向了锂空气电池。”

观测到局部可逆性

无独有偶。美国橡树岭国家实验室的研究团队也解决了锂空气电池中的一项难题:可逆性,这对于该类电池实现重复充电和成本降低很重要。相关研究报告已发表在近期出版的《纳米技术》杂志上。

在此项研究中,科学家利用尖端为20纳米的原子力显微镜(AFM),基于锂离子导电玻璃陶瓷电解质,利用直流电测量了显微镜在循环过程中尖端高度的变化,以分析锂微粒的增长,从而探究电池的可逆性。他们观测到了锂微粒的局部可逆性——当最小的微粒形成时,可逆程度达到了最高水平。研究人员发现,尖端高度的增加和下降都与电流的变化相关。这意味着他们可能制造出具有活跃阳极的纳米电池,锂空气电池的可逆性有望在未来得到进一步的提高。

发现新型催化剂

另外,麻省理工学院的研究人员近日也开发出一种新型催化剂,可使锂空气电池的充放电效率得到显著提高。该催化剂由金-铂金合金纳米粒子组成。测试发现,电池的放电效率达到了77%,高出之前70%的纪录。这项成果发表在《美国化学会志》杂志上。

这一新催化剂加快了金属锂与氧气的反应速度,从而减少了电池在充放电过程中的能量损失。催化剂中的金原子促进锂和氧的结合,而铂金原子则加快了充电反应的进行。除了提高效率,加快反应速度,该催化剂还能最大限度地减少氧化锂的堆积,提高锂空气电池的寿命。麻省理工学院的研究人员将继续深入研究金-铂金催化剂,了解它们是如何工作的,并努力减少金和铂金的使用量以降低催化剂的成本。同时还将研究其他材料的组合,以找出新的催化剂。

汽车主动力从汽油向电力转变是21世纪上半叶最重要的技术变革之一,而锂空气电池是现今汽车电池研究开发的焦点之一,包括美国国家实验室和IBM在内的不少研究机构和企业都在致力于锂空气电池创新性研究。 IBM称,如果一切顺利,锂空气电池有望在2020年和2030年间进行批量生产。

“上述结果非常鼓舞人心,它意味着锂空气电池的前景并不是毫无希望的。”加拿大滑铁卢大学的化学家琳达·纳扎尔说。不过,纳扎尔和其他科学家也表示,新型锂空气电池还没有办法迅速投入商业化使用,因为锂空气电池仍需要更多的技术改进,如在阴极上使用更好的催化剂以及性能出众的多功能电解质等,如能克服这些障碍,锂空气电池将前途无量。

 

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