英國劍橋大學突破鋰空氣電池瓶頸
2015-11-02 08:46:19 n
上為鋰空氣電池的原理圖
當電池的續航能力不再成為瓶頸，電動汽車的發展便將進入爆發式發展階段。這一天已經不再遙遠。
根據英國《金融時報》當地時間10月30日的報道，劍橋大學(Cambridge University)在電化學領域的一項突破，或將催生可充電的超級電池。這種電池在給定空間內存儲的能量是目前最好電池的五倍，可大大拓展電動汽車的續航里程，并可能大幅改觀電力存儲的經濟效益。
該動力電池為鋰空氣電池，高比能量鋰空氣電池是未來大容量純電動汽車潛在的動力電源技術之一，被認為是未來的發展方向。不過，可查資料顯示，由于空氣鋰電池的充電動力學速率低限制了其實際性能的提升，導致其過電位高、循環性能差、電流密度低、電極材料不穩定、電解質分解等問題。
劍橋大學的化學教授克萊爾•格雷(Clare Grey)和她的團隊攻克了鋰空氣電池開發中的技術難關。金融時報稱，如果能把該技術從實驗室的演示品轉變為商品，將令汽車只充一次電就能行駛約650公里。
發表在《科學》(Science)期刊上的一篇研究論文顯示，劍橋的這個團隊攻克了這種技術中的部分實際問題——尤其是化學上的不穩定問題。在此之前，由于這種化學上的不穩定，鋰空氣電池會顯示出性能迅速衰退的現象。
格雷教授表示：“我們取得的成就使這項技術向前邁出了重要一步，預示著全新的研究領域。我們仍未全盤解決這一化學機制所固有的問題，但我們的成果確實揭示了前行的道路。”
和目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術相比，鋰空氣電池理論上擁有巨大的優勢——其能量密度可能要高10倍——以至于全球的研究人員都在開展鋰空氣電池的研究。
論文第一作者、劍橋大學的劉韜博士在接受新華社記者采訪時介紹說，近20年來，鋰－空氣電池在全球被廣泛研究。典型情況下，這種電池使用鋰金屬作為負極材料，正極則為多孔的導電碳材料。放電時，從負極出發的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應，產生一種叫過氧化鋰的固體產物，填充于碳電極的孔隙中。充電時，化學過程逆轉，過氧化鋰被分解釋放氧氣。該電池的蓄電能力理論上是目前市場上鋰離子電池的10倍，但實際應用時卻存在多個重大缺陷。
劉韜說，該電池的反應產物過氧化鋰及反應中間產物超氧化鋰都有較高的反應活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，還會導致分解電解液及碳電極等副作用。
放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導致放電提前結束；充電時，鋰金屬負極表面會以樹枝狀向正極生長，最終可能導致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。
在最新工作中，劉韜等人改用多層次的大孔石墨烯作為正極材料，利用水和碘化鋰作為電解液添加劑，最終產生和分解的是氫氧化鋰，而不是此前電池中的過氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩定，大大降低了電池中的副反應，提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外，似乎還起到了保護鋰金屬負極的作用，使電池對于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會直接使電池失效，完全無法充放電。
他們開發出的鋰－空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時/千克，是現有鋰離子電池的約8倍，可循環充放電上千次，首次循環充放電效率高達93%，即充入電池中93%的能量在放電時都能被使用。
