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新技术:封闭式锂电池性能与锂-空气电池相仿?

核心提示:新的化学方法有望克服锂-空气电池的缺陷。  在同等重量下,锂-空气电池可以提供更多电力,因此被广泛应用于电动汽车和其他移动

新的化学方法有望克服锂-空气电池的缺陷。
 

在同等重量下,锂-空气电池可以提供更多电力,因此被广泛应用于电动汽车和其他移动电子设备。然而,锂-空气电池有不少缺点:发热高(大量化学能转化成了热能而没有提供给设备)、寿命短、制作工艺昂贵而复杂(向电池内充放空气需要价格昂贵的设备,并且非常麻烦)。
 

近日,麻省理工学院核工程教授李巨,博士后朱志(音译,Zhi Zhu)及其他五位工作于麻省理工、阿尔贡国家实验室和北京大学的作者在《自然·能源》期刊发文,报道了一种被称为“纳米锂阴极”的新技术,该技术可以用来制造性能和锂-空气电池相仿的封闭式锂电池,以克服上述问题。
 

李巨表示,锂-空气电池的弱点之一是充电和放电电压不等,放电电压比充电电压低1.2伏,因此每次充电过程中,以热能形式损失的能量高达30%。“如果你充电太快,你的锂电池真的有可能烧起来。”

把气体关起来

传统锂-空气电池放电时,利用空气中的氧气与电池中的锂发生化学反应。在充电时,锂氧化物中的氧又被释放到大气中。
 

新的纳米锂阴极电池同样利用了氧元素和锂的作用。区别在于,放电时,氧不会再以气体形式释放,而是被封闭在固体中。具体来说,氧以三种氧化还原态被封闭在三种固体化合物中——Li2O,Li2O2和LiO2,这三种物质又被包绕在二氧化钴玻璃里。
 

这么做的好处就是,将纳米锂阴极电池将充放电时的电压差降低了5倍——从1.2伏降至0.24伏,因此只有8%的能量在充电时以热能形式损失。这意味着可以对汽车电池以更快的速度充电而不必担心过热起火。
 

锂-空气电池的第二项缺点是:以气体形式释放的氧会破坏电池中的离子通道,因此降低了锂电池的寿命。
 

新技术用二氧化钴玻璃把锂和氧包裹在纳米尺度的空间中,科学家把这种结构称为纳米锂。这样,LiO2, Li2O2, 和Li2O的变换就不会改变材料宏观结构。此外,由于纳米锂颗粒本身非常不稳定,而具有纳米通道的二氧化钴玻璃能则正好够稳定它们。二氧化钴同时还在充放电中扮演了催化剂的角色。
 

李巨表示,传统锂-空气电池实际上只不过是锂-氧电池,因为空气中的水汽和二氧化碳会跟锂发生副反应,因此锂-空气电池使用起来必须配备庞大的辅助系统,以除去水汽和二氧化碳,这是个步非常困难的步骤。而新的固体锂电池已经没有了这个问题。
 

自带防过充功能
 

新的固体锂电池还自带防过充电功能,因为电池中的化学反应会通过负反馈自我调节,当电充满时,反应自动停止。传统电池若过充电,将对电池造成不可逆地损害,甚至爆炸。但是固体锂电池在实验中连续充电15天,充电电量百倍于电池容量,但是电池毫发无损。
 

在充放电实验中,固体锂电池充放电120次,容量只损失2%,这意味着远远超过了传统锂-空气电池的寿命。由于固体锂电池无需辅助的空气净化系统,因此它能便捷地应用于电动汽车,甚至是电网级储能站。
 

由于固态氧阴极比锂离子电池的阴极轻得多,因此新的固体锂电池可以比同等重量的锂离子电池储存多一倍的电量。随着技术的改进,新电池的电量还能再提高一倍。
 

新电池的更大优势在于它无需使用昂贵的稀有材料。该电池的碳酸盐电解质非常便宜。此外,二氧化钴玻璃比纳米锂颗粒轻50%。因此,与锂-空气电池比较,新电池非常便宜,安全,且有大规模应用的潜力。研究团队计划1年内完成实用原型的制造。
 

      未参加该项目的俄勒冈州立大学副教授季旭磊(音译,XiuleiJi)表示,新型锂电池技术的性能相比于传统的锂-空气电池有重大进步。超氧化物溶质在碳酸盐电介质中工作得很好,完全无需氧气的介入。在充放电过程中,阴极材料都是固体,因此新电池的安装和使用很方便。

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