鋰-空氣電池或將解決電動汽車續航難題
2012-08-17
鋰電世界佚名8380核心提示： 中國電池網 一種儲量可達到傳統鋰離子電池十倍之多的全新“吸氣式”鋰電池,大概可以解決現在電動汽車的續航困境——如果它能勝利走出實驗室的話。在正式上崗之前，鋰-空氣電池需要找
鋰電世界 一種儲量可達到傳統鋰離子電池十倍之多的全新“吸氣式”鋰電池,大概可以解決現在電動汽車的續航困境——如果它能勝利走出實驗室的話。在正式上崗之前，鋰-空氣電池需要找到合適的電解液和電極材料，有了這些特殊材料的支撐，新電池才能承受起未來無數次的充放電化學反應。
鋰-空氣電池具有十分誘人的應用前景，但受限于難以找到可用的電解液和電極材料，科學家曾預言這份美夢在未來十年內都無法成真。不過，一隊化學家現在似乎已經找到了解決的方法：閃閃的金子。
這群來自蘇格蘭圣安德魯斯大學的研究人員，最先否決掉用黃金來制作電動汽車電池人。不過，在實驗室的電池制造過程中使用黃金，也許會為潛力巨大的鋰-空氣電池最終走向市場助上關鍵的一臂之力。
在上周五發表在《科學》(Science)上的一篇論文中，圣安德魯斯的化學家描繪出了一種使用DMSO(二甲亞砜)作為電解液，并用多孔的黃金作為電極的鋰-空氣電池的實驗模型，這種實驗電池在充-放電100次以后，其電池容量仍能保持最初的95%。
現有鋰離子電池的內在屬性決定了它們在容量上的局限，它們也因此無法在電動汽車上盡情發揮。現今電動汽車上使用的鋰離子電池使用金屬氧化物或磷酸化物作為正極，碳材料作負極，通過加入電解液來促使鋰離子在兩極間的流動。當電車發動時，鋰離子從負極經過一個隔膜流向正極，而電池充電時離子的流向正好相反。鋰離子電池的電極中可以容納的鋰離子數量有限，電池的儲電量因此受到限制，這使得科學家們不得不在研究中另辟蹊徑。
“鋰離子電池的儲能密度很高，從這點來看它是我們的最佳選擇。它已經逐漸滲透到我們的生活，包括在電動汽車上的應用。”圣安德魯斯大學化學系教授彼得•布魯斯(PeterBruce)這樣說道。“我們也發現，現在的汽車電池的儲電量至少再擴充一倍才能真正滿足行駛的要求。這一點傳統鋰離子電池無法企及，所以我們才將目光投向了鋰-空氣電池。”
簡單來說，鋰-空氣電池在汽車發動狀態下，可以收集空氣中的氧氣作為電池反應的原料。這意味著這種新電池不再需要笨重的金屬氧化物作為電極，減負以后的電池可以獲得更多的儲能空間。在多孔的金制正極的表面，氧分子可以與鋰離子和電子發生化學反應，形成過氧化鋰。過氧化鋰的形成過程即是電池的放電過程，汽車由此被驅動。當電池充電時，發生的化學反應剛好相反，氧氣會被釋放返回大氣。
目前，鋰-空氣電池的研發重點是尋找電解液和正電極的材料。經過測試的大部分電解液和電極在幾個充-放電循環后就會發生降解，這會導致過氧化鋰生成量的銳減，或是反應發生的不完全。所以，布魯斯和他在圣安德魯斯的同事彭長全(ZhangquanPeng)、斯蒂凡•弗朗伯格(StefanFreunberger)和陳玉輝(YuhuiChen),一直在尋找一種電極，可以讓化學反應在多輪充-放電循環后仍然正常進行。
但用全真金打造一個區區電極畢竟有奢華到無恥的嫌疑，為了降低成本，圣安德魯斯的科學家們正在試驗鍍金的碳電極是否也能達到相同的良好效果。
“實驗結果顯示，我們建立的一個可以在鋰-空氣電池中發生的電化學反應模型，似乎也是可逆的”，布魯斯說道。他的團隊成功地發現了黃金作為鋰-空氣電池的一種電極材料的可行性，黃金在非水的溶液環境中的穩定性使得它可以抵御氧氣的侵蝕，而多孔的性狀又允許了在電化學反應中生成的過氧化鋰的嵌入。“我們還不知道納米級別的多孔金材料是否也有這種級別的穩定性，我們還得再做一些工作來確定這一點。”
鋰-空氣電池是現今汽車電池研究開發的焦點之一，包括阿貢國家實驗室、麻省理工學院和IBM在內的不少研究機構和企業都在這一領域辛勤勞作，未來還會有好消息，我們就耐心等待吧。
鋰-空氣電池具有十分誘人的應用前景，但受限于難以找到可用的電解液和電極材料，科學家曾預言這份美夢在未來十年內都無法成真。不過，一隊化學家現在似乎已經找到了解決的方法：閃閃的金子。
這群來自蘇格蘭圣安德魯斯大學的研究人員，最先否決掉用黃金來制作電動汽車電池人。不過，在實驗室的電池制造過程中使用黃金，也許會為潛力巨大的鋰-空氣電池最終走向市場助上關鍵的一臂之力。
在上周五發表在《科學》(Science)上的一篇論文中，圣安德魯斯的化學家描繪出了一種使用DMSO(二甲亞砜)作為電解液，并用多孔的黃金作為電極的鋰-空氣電池的實驗模型，這種實驗電池在充-放電100次以后，其電池容量仍能保持最初的95%。
現有鋰離子電池的內在屬性決定了它們在容量上的局限，它們也因此無法在電動汽車上盡情發揮。現今電動汽車上使用的鋰離子電池使用金屬氧化物或磷酸化物作為正極，碳材料作負極，通過加入電解液來促使鋰離子在兩極間的流動。當電車發動時，鋰離子從負極經過一個隔膜流向正極，而電池充電時離子的流向正好相反。鋰離子電池的電極中可以容納的鋰離子數量有限，電池的儲電量因此受到限制，這使得科學家們不得不在研究中另辟蹊徑。
“鋰離子電池的儲能密度很高，從這點來看它是我們的最佳選擇。它已經逐漸滲透到我們的生活，包括在電動汽車上的應用。”圣安德魯斯大學化學系教授彼得•布魯斯(PeterBruce)這樣說道。“我們也發現，現在的汽車電池的儲電量至少再擴充一倍才能真正滿足行駛的要求。這一點傳統鋰離子電池無法企及，所以我們才將目光投向了鋰-空氣電池。”
簡單來說，鋰-空氣電池在汽車發動狀態下，可以收集空氣中的氧氣作為電池反應的原料。這意味著這種新電池不再需要笨重的金屬氧化物作為電極，減負以后的電池可以獲得更多的儲能空間。在多孔的金制正極的表面，氧分子可以與鋰離子和電子發生化學反應，形成過氧化鋰。過氧化鋰的形成過程即是電池的放電過程，汽車由此被驅動。當電池充電時，發生的化學反應剛好相反，氧氣會被釋放返回大氣。
目前，鋰-空氣電池的研發重點是尋找電解液和正電極的材料。經過測試的大部分電解液和電極在幾個充-放電循環后就會發生降解，這會導致過氧化鋰生成量的銳減，或是反應發生的不完全。所以，布魯斯和他在圣安德魯斯的同事彭長全(ZhangquanPeng)、斯蒂凡•弗朗伯格(StefanFreunberger)和陳玉輝(YuhuiChen),一直在尋找一種電極，可以讓化學反應在多輪充-放電循環后仍然正常進行。
但用全真金打造一個區區電極畢竟有奢華到無恥的嫌疑，為了降低成本，圣安德魯斯的科學家們正在試驗鍍金的碳電極是否也能達到相同的良好效果。
“實驗結果顯示，我們建立的一個可以在鋰-空氣電池中發生的電化學反應模型，似乎也是可逆的”，布魯斯說道。他的團隊成功地發現了黃金作為鋰-空氣電池的一種電極材料的可行性，黃金在非水的溶液環境中的穩定性使得它可以抵御氧氣的侵蝕，而多孔的性狀又允許了在電化學反應中生成的過氧化鋰的嵌入。“我們還不知道納米級別的多孔金材料是否也有這種級別的穩定性，我們還得再做一些工作來確定這一點。”
鋰-空氣電池是現今汽車電池研究開發的焦點之一，包括阿貢國家實驗室、麻省理工學院和IBM在內的不少研究機構和企業都在這一領域辛勤勞作，未來還會有好消息，我們就耐心等待吧。
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