鋰空氣電池新突破：讓電池續航里程不再頭疼

    鋰電世界  近年來電動汽車已不僅僅是一個概念，而是在逐步走進人們的生活。不過相比傳統燃油汽車火熱受捧的局面，電動車卻是門可羅雀，與前者形成強烈反差，癥結就在于電池的壽命、續航里程依舊讓人頭疼。

    不過科技在進步，創新時刻在發生。最近有研究人員宣布，鋰空氣電池的穩定性獲得突破。如果新技術能投入商用，那么未來電動汽車將有望擁有與傳統燃油汽車相同甚至更強的續航能力，電動車不受待見的命運或將由此逆轉。

    鋰空氣電池尋求突破

    多年來，研究人員一直希望能用鋰空氣電池代替傳統的鋰離子電池，因為前者擁有更強的蓄電能力，比性能最好的鋰離子電池都要高出 10 倍以上，可提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。

    鋰空氣電池雖然具有廣闊的應用前景，但由于內部結構的不穩定性，難以找到可用的電解液和電極材料，在幾次充放電之后就會解體，這讓鋰空氣電池遲遲無法進入消費市場。

    鋰空氣電池在放電時，陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子，鋰陽離子穿過電解質材料，在陰極與氧氣以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰或者過氧化鋰，并留在陰極，充電過程則相反。整個充放電循環要求有穩定的電極與電解質環境。但是在之前的研究中，人們始終無法維持這兩者的穩定性，被當做陰極的碳棒會與電解質產生各種意料之外的副反應，從而導致碳棒逐漸解體，幾次充放電循環過后，一塊鋰空氣電池就徹底無法使用了。這使得科學家們不得不在研究中另辟蹊徑。

    以黃金作電極

    近日，來自蘇格蘭圣安德魯斯大學的研究人員為鋰空氣電池的突破帶來喜訊，其解決方法就是金子。他們的研究成果已發表在《科學》(Science)上。

    由彼得·布魯斯領導的研究人員制造出了一種使用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%。

    研究團隊將傳統的碳陰極換成了惰性的納米級金陰極，其穩定性要遠高于碳棒；他們還將之前由聚碳酸酯（polycarbonates）或聚醚（polyethers）制作的電解液，換成了一種名叫二甲基亞砜（DMSO）的導電溶液，這種溶液不那么容易在陰極發生反應。事實證明他們成功了，新的 “納米金 – 二甲基亞砜” 組合的穩定性要遠遠超出原有組合。

    “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。”布魯斯說，“我們也發現，現在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。”

    觀測到局部可逆性

    無獨有偶。美國橡樹嶺國家實驗室的研究團隊也解決了鋰空氣電池中的一項難題：可逆性，這對于該類電池實現重復充電和成本降低很重要。相關研究報告已發表在近期出版的《納米技術》雜志上。

    在此項研究中，科學家利用尖端為20納米的原子力顯微鏡（AFM），基于鋰離子導電玻璃陶瓷電解質，利用直流電測量了顯微鏡在循環過程中尖端高度的變化，以分析鋰微粒的增長，從而探究電池的可逆性。他們觀測到了鋰微粒的局部可逆性——當最小的微粒形成時，可逆程度達到了最高水平。研究人員發現，尖端高度的增加和下降都與電流的變化相關。這意味著他們可能制造出具有活躍陽極的納米電池，鋰空氣電池的可逆性有望在未來得到進一步的提高。

    發現新型催化劑

    另外，麻省理工學院的研究人員近日也開發出一種新型催化劑，可使鋰空氣電池的充放電效率得到顯著提高。該催化劑由金-鉑金合金納米粒子組成。測試發現，電池的放電效率達到了77%，高出之前70%的紀錄。這項成果發表在《美國化學會志》雜志上。

    這一新催化劑加快了金屬鋰與氧氣的反應速度，從而減少了電池在充放電過程中的能量損失。催化劑中的金原子促進鋰和氧的結合，而鉑金原子則加快了充電反應的進行。除了提高效率，加快反應速度，該催化劑還能最大限度地減少氧化鋰的堆積，提高鋰空氣電池的壽命。麻省理工學院的研究人員將繼續深入研究金-鉑金催化劑，了解它們是如何工作的，并努力減少金和鉑金的使用量以降低催化劑的成本。同時還將研究其他材料的組合，以找出新的催化劑。

    汽車主動力從汽油向電力轉變是21世紀上半葉最重要的技術變革之一，而鋰空氣電池是現今汽車電池研究開發的焦點之一，包括美國國家實驗室和IBM在內的不少研究機構和企業都在致力于鋰空氣電池創新性研究。 IBM稱，如果一切順利，鋰空氣電池有望在2020年和2030年間進行批量生產。

    “上述結果非常鼓舞人心，它意味著鋰空氣電池的前景并不是毫無希望的。”加拿大滑鐵盧大學的化學家琳達·納扎爾說。不過，納扎爾和其他科學家也表示，新型鋰空氣電池還沒有辦法迅速投入商業化使用，因為鋰空氣電池仍需要更多的技術改進，如在陰極上使用更好的催化劑以及性能出眾的多功能電解質等，如能克服這些障礙，鋰空氣電池將前途無量。