新技術(shù)：封閉式鋰電池性能與鋰-空氣電池相仿？

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(dòng)汽車和其他移動(dòng)電子設(shè)備。然而，鋰-空氣電池有不少缺點(diǎn)：發(fā)熱高（大量化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能而沒(méi)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(jià)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，Zhi Zhu）及其他五位工作于麻省理工、阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)的作者在《自然·能源》期刊發(fā)文，報(bào)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(lái)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(wèn)題。

  李巨表示，鋰-空氣電池的弱點(diǎn)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(guò)程中，以熱能形式損失的能量高達(dá)30%。“如果你充電太快，你的鋰電池真的有可能燒起來(lái)。”

  把氣體關(guān)起來(lái)

  傳統(tǒng)鋰-空氣電池放電時(shí)，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(shí)，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(shí)，氧不會(huì)再以氣體形式釋放，而是被封閉在固體中。具體來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)以熱能形式損失。這意味著可以對(duì)汽車電池以更快的速度充電而不必?fù)?dān)心過(guò)熱起火。

  鋰-空氣電池的第二項(xiàng)缺點(diǎn)是：以氣體形式釋放的氧會(huì)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(huì)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(shí)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(shí)際上只不過(guò)是鋰-氧電池，因?yàn)榭諝庵械乃投趸紩?huì)跟鋰發(fā)生副反應(yīng)，因此鋰-空氣電池使用起來(lái)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(gè)步非常困難的步驟。而新的固體鋰電池已經(jīng)沒(méi)有了這個(gè)問(wèn)題。

  自帶防過(guò)充功能

  新的固體鋰電池還自帶防過(guò)充電功能，因?yàn)殡姵刂械幕瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)通過(guò)負(fù)反饋?zhàn)晕艺{(diào)節(jié)，當(dāng)電充滿時(shí)，反應(yīng)自動(dòng)停止。傳統(tǒng)電池若過(guò)充電，將對(duì)電池造成不可逆地?fù)p害，甚至爆炸。但是固體鋰電池在實(shí)驗(yàn)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(wú)損。

  在充放電實(shí)驗(yàn)中，固體鋰電池充放電120次，容量只損失2%，這意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(dòng)汽車，甚至是電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)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(chǔ)存多一倍的電量。隨著技術(shù)的改進(jìn)，新電池的電量還能再提高一倍。

  新電池的更大優(yōu)勢(shì)在于它無(wú)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃1年內(nèi)完成實(shí)用原型的制造。

  未參加該項(xiàng)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(jìn)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(wú)需氧氣的介入。在充放電過(guò)程中，陰極材料都是固體，因此新電池的安裝和使用很方便。（作者：David Chandler）