鋰空氣電池新突破：讓續(xù)航里程不再頭疼

近年來電動(dòng)汽車已不僅僅是一個(gè)概念，而是在逐步走進(jìn)人們的生活。不過相比傳統(tǒng)燃油汽車火熱受捧的局面，電動(dòng)車卻是門可羅雀，與前者形成強(qiáng)烈反差，癥結(jié)就在于電池的壽命、續(xù)航里程依舊讓人頭疼。

不過科技在進(jìn)步，創(chuàng)新時(shí)刻在發(fā)生。最近有研究人員宣布，鋰空氣電池的穩(wěn)定性獲得突破。如果新技術(shù)能投入商用，那么未來電動(dòng)汽車將有望擁有與傳統(tǒng)燃油汽車相同甚至更強(qiáng)的續(xù)航能力，電動(dòng)車不受待見的命運(yùn)或?qū)⒂纱四孓D(zhuǎn)。

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?zhèn)鹘y(tǒng)的鋰離子電池，因?yàn)榍罢邠碛懈鼜?qiáng)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(yīng)用前景，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)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(jìn)入消費(fèi)市場。

鋰空氣電池在放電時(shí)，陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子，鋰陽離子穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣以及從外電路流過來的電子結(jié)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(gè)充放電循環(huán)要求有穩(wěn)定的電極與電解質(zhì)環(huán)境。但是在之前的研究中，人們始終無法維持這兩者的穩(wěn)定性，被當(dāng)做陰極的碳棒會與電解質(zhì)產(chǎn)生各種意料之外的副反應(yīng)，從而導(dǎo)致碳棒逐漸解體，幾次充放電循環(huán)過后，一塊鋰空氣電池就徹底無法使用了。這使得科學(xué)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(xué)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(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。

由彼得·布魯斯領(lǐng)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這種實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的碳陰極換成了惰性的納米級金陰極，其穩(wěn)定性要遠(yuǎn)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(dǎo)電溶液，這種溶液不那么容易在陰極發(fā)生反應(yīng)。事實(shí)證明他們成功了，新的 “納米金 - 二甲基亞砜” 組合的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原有組合。

“鋰離子電池的儲能密度很高，從這點(diǎn)來看它是我們的最佳選擇。它已經(jīng)逐漸滲透到我們的生活，包括在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。”布魯斯說，“我們也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在汽車電池的儲電量至少再擴(kuò)充一倍才能真正滿足行駛的要求。這一點(diǎn)傳統(tǒng)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(dú)有偶。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)也解決了鋰空氣電池中的一項(xiàng)難題：可逆性，這對于該類電池實(shí)現(xiàn)重復(fù)充電和成本降低很重要。相關(guān)研究報(bào)告已發(fā)表在近期出版的《納米技術(shù)》雜志上。

在此項(xiàng)研究中，科學(xué)家利用尖端為20納米的原子力顯微鏡(AFM)，基于鋰離子導(dǎo)電玻璃陶瓷電解質(zhì)，利用直流電測量了顯微鏡在循環(huán)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(dāng)最小的微粒形成時(shí)，可逆程度達(dá)到了最高水平。研究人員發(fā)現(xiàn)，尖端高度的增加和下降都與電流的變化相關(guān)。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(jìn)一步的提高。

發(fā)現(xiàn)新型催化劑

另外，麻省理工學(xué)院的研究人員近日也開發(fā)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(fā)現(xiàn)，電池的放電效率達(dá)到了77%，高出之前70%的紀(jì)錄。這項(xiàng)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》雜志上。

這一新催化劑加快了金屬鋰與氧氣的反應(yīng)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(jìn)鋰和氧的結(jié)合，而鉑金原子則加快了充電反應(yīng)的進(jìn)行。除了提高效率，加快反應(yīng)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(xué)院的研究人員將繼續(xù)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(shí)還將研究其他材料的組合，以找出新的催化劑。

汽車主動(dòng)力從汽油向電力轉(zhuǎn)變是21世紀(jì)上半葉最重要的技術(shù)變革之一，而鋰空氣電池是現(xiàn)今汽車電池研究開發(fā)的焦點(diǎn)之一，包括美國國家實(shí)驗(yàn)室和IBM在內(nèi)的不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在致力于鋰空氣電池創(chuàng)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(jìn)行批量生產(chǎn)。

“上述結(jié)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(xué)的化學(xué)家琳達(dá)·納扎爾說。不過，納扎爾和其他科學(xué)家也表示，新型鋰空氣電池還沒有辦法迅速投入商業(yè)化使用，因?yàn)殇嚳諝怆姵厝孕枰嗟募夹g(shù)改進(jìn)，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(zhì)等，如能克服這些障礙，鋰空氣電池將前途無量。