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新技術(shù):封閉式鋰電池性能與鋰-空氣電池相仿?

   2021-05-20 11040
核心提示: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

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)沒有了這個(gè)問題。

  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)

 
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