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新技術:封閉式鋰電池性能與鋰-空氣電池相仿?

核心提示:新的化學方法有望克服鋰-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,因此被廣泛應用于電動汽車和其他移動

新的化學方法有望克服鋰-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,因此被廣泛應用于電動汽車和其他移動電子設備。然而,鋰-空氣電池有不少缺點:發熱高(大量化學能轉化成了熱能而沒有提供給設備)、壽命短、制作工藝昂貴而復雜(向電池內充放空氣需要價格昂貴的設備,并且非常麻煩)。
 

近日,麻省理工學院核工程教授李巨,博士后朱志(音譯,Zhi Zhu)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的作者在《自然·能源》期刊發文,報道了一種被稱為“納米鋰陰極”的新技術,該技術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。”

把氣體關起來

傳統鋰-空氣電池放電時,利用空氣中的氧氣與電池中的鋰發生化學反應。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被封閉在三種固體化合物中——Li2O,Li2O2和LiO2,這三種物質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。
 

新技術用二氧化鈷玻璃把鋰和氧包裹在納米尺度的空間中,科學家把這種結構稱為納米鋰。這樣,LiO2, Li2O2, 和Li2O的變換就不會改變材料宏觀結構。此外,由于納米鋰顆粒本身非常不穩定,而具有納米通道的二氧化鈷玻璃能則正好夠穩定它們。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生副反應,因此鋰-空氣電池使用起來必須配備龐大的輔助系統,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,因為電池中的化學反應會通過負反饋自我調節,當電充滿時,反應自動停止。傳統電池若過充電,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充電15天,充電電量百倍于電池容量,但是電池毫發無損。
 

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鋰-空氣電池的壽命。由于固體鋰電池無需輔助的空氣凈化系統,因此它能便捷地應用于電動汽車,甚至是電網級儲能站。
 

由于固態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。隨著技術的改進,新電池的電量還能再提高一倍。
 

新電池的更大優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,且有大規模應用的潛力。研究團隊計劃1年內完成實用原型的制造。
 

      未參加該項目的俄勒岡州立大學副教授季旭磊(音譯,XiuleiJi)表示,新型鋰電池技術的性能相比于傳統的鋰-空氣電池有重大進步。超氧化物溶質在碳酸鹽電介質中工作得很好,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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