5
鋰空氣電池的能量密度較高，因此被看好在電動(dòng)汽車和便攜設(shè)備中的前景。不過(guò)鋰空氣電池技術(shù)現(xiàn)在有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)：熱損耗較大，容量下降較快，而且需要昂貴的元器件控制氧氣的進(jìn)出，因此只能做成非封閉式電池，使用起來(lái)不太方便。
現(xiàn)在有一種新的電池化學(xué)方法，能夠克服上述問(wèn)題，性能上與鋰空氣電池接近，并可以做成傳統(tǒng)的全封閉式電池。
納米氧化鋰陰極電池微結(jié)構(gòu)示意圖
（紅白顆粒表示為鋰氧化合物，類似海綿物表示為氧化鈷）
?
這種新電池技術(shù)被稱為納米氧化鋰陰極電池（nanolithia cathode battery），由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系巴特爾能源聯(lián)盟（Battelle Energy Alliance）教授李巨、博士后朱志（音）以及其他五名來(lái)自麻省理工學(xué)院、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、以及北京大學(xué)的研究人員發(fā)明。
李巨
李巨教授解釋，鋰空氣電池一個(gè)問(wèn)題是充電電壓與放電電壓不匹配，電池的充電電壓比放電電壓要高 1.2V 以上，這意味著充電時(shí)會(huì)有很大的能量損失。他說(shuō)：“充電時(shí)有 30%左右的電能以熱量的形式消耗掉了，如果充電過(guò)快，電池真的會(huì)燃燒起來(lái)?！?/p>
固態(tài)氧元素
傳統(tǒng)的鋰空氣電池在放電時(shí)會(huì)從空氣中抽取氧氣以完成放電的化學(xué)反應(yīng)，充電時(shí)這些氧氣又被釋放出來(lái)。
與傳統(tǒng)鋰空氣電池一樣，納米氧化鋰陰極電池也是利用鋰和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行充放電。但新方法中氧元素不會(huì)再還原成氧氣，而是以固態(tài)形式存在，并在三種氧化還原態(tài)中直接切換，這三種可相互轉(zhuǎn)換的化合物分別是 Li2O、Li2O2 與 LiO2，混合在一起呈玻璃態(tài)。新方法在充電時(shí)的電壓損失從 1.2V 降低為 0.24V，僅為舊方法的五分之一，因此只有約 8%的電能以熱量形式損失掉了?！俺四茉葱实奶嵘?，從安全的角度來(lái)說(shuō)，電池包發(fā)出的熱量越少，就意味著汽車充電的速度越快。”李教授說(shuō)道。
新方法也解決了鋰空氣電池的另一個(gè)問(wèn)題：每一次充放電，氧元素都要在氣態(tài)和固態(tài)之間切換一次，經(jīng)過(guò)多次充放電以后，電池結(jié)構(gòu)中的材料導(dǎo)電特性大幅下降，這使得鋰空氣電池的壽命很有限。
新方法的訣竅就在于開(kāi)發(fā)了一種納米級(jí)的粒子，這種粒子包含了玻璃態(tài)的鋰和氧元素，由氧化鈷組成的矩陣將這些鋰和氧元素固定住，研究人員將這種粒子稱為納米氧化鋰。李教授表示，LiO2、Li2O2 和 Li2O 在這種結(jié)構(gòu)中能夠以固態(tài)的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
氧化鋰粒子通常很不穩(wěn)定，所以研究人員將氧化鋰粒子嵌入到氧化鈷矩陣中。氧化鈷矩陣像海綿一樣有很多孔，但是這些孔的直徑只有幾個(gè)納米。氧化鈷矩陣既固定了氧化鋰粒子，又可以作為其充放電形態(tài)轉(zhuǎn)換的催化劑。
李教授又解釋說(shuō)，傳統(tǒng)的鋰空氣電池是“真正的干鋰氧電池（lithium-dry oxygen batteries），因?yàn)殇嚳諝怆姵夭荒芴幚頋駳饣蚨趸?。”所以給電池的空氣需要過(guò)濾。“你需要大型輔助設(shè)備來(lái)去除空氣中的二氧化碳和水分，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很難?！辈贿^(guò)采用新方法，已經(jīng)不需要吸收外部的氧氣，從而規(guī)避了這個(gè)問(wèn)題。
沒(méi)有過(guò)充困擾
該研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，因?yàn)榧{米氧化鋰陰極電池天然有自限制功能 -- 當(dāng)過(guò)充的時(shí)候，粒子自動(dòng)切換到另外一種形態(tài)的氧化鋰，從而阻止了進(jìn)一步充電，所以天生具備過(guò)充保護(hù)能力?！皞鹘y(tǒng)的電池過(guò)充以后會(huì)產(chǎn)生不可逆的損壞，甚至爆炸?！崩罱淌谡f(shuō)道，但從他們對(duì)納米氧化鋰陰極電池的”嚴(yán)刑拷打“來(lái)看，這種新電池在過(guò)充保護(hù)方面表現(xiàn)非常出色，“我們將電池的過(guò)充狀態(tài)下保持了 15 天，充電量是電池容量的 100 倍，但是電池一點(diǎn)都沒(méi)有損傷?！?/p>
在循環(huán)測(cè)試中，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室型號(hào)的新電池通過(guò)了 120 次充放電實(shí)驗(yàn)，容量?jī)H下降了 2 個(gè)百分點(diǎn)，可以看出這種電池的使用壽命將會(huì)很長(zhǎng)。納米氧化鋰陰極電池不需要鋰空氣電池一樣配備輔助設(shè)備，可以像傳統(tǒng)固態(tài)鋰離子電池一樣安裝操作，很容易用到現(xiàn)有設(shè)備或傳統(tǒng)的電池包里去，在汽車、電子設(shè)備和電網(wǎng)儲(chǔ)能方面都有廣闊的市場(chǎng)前景。
研發(fā)人員表示，由于這種“固態(tài)氧”陰極比傳統(tǒng)的鋰離子電池陰極輕很多，所以相同的電池陰極重量，新電池的電容量是傳統(tǒng)電池的兩倍。李教授認(rèn)為，隨著進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，新電池有可能把現(xiàn)在的容量再提高一倍。
李教授還強(qiáng)調(diào)，上述新電池的所有性能實(shí)現(xiàn)都不需要添加任何昂貴的元件或材料。新電池采用了碳酸鹽這種“最便宜”的電解液作為電池的液態(tài)電解質(zhì)，氧化鈷的重量不到納米氧化鋰的一半?？傊?，相比鋰空氣電池，新電池系統(tǒng)“有很大的擴(kuò)展性、便宜而且更安全。”李教授說(shuō)。
研究組期望在一年內(nèi)將這個(gè)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證過(guò)的概念轉(zhuǎn)換為實(shí)際可生產(chǎn)的原型產(chǎn)品。
