新型锂氧电池大幅提升能效、寿命

新型锂氧电池大幅提升能效、寿命
锂空气电池被认为是用于电动汽车和便携式电子设备的极具前景的技术，因为它们具有提供与其重量成比例的高能量输出的潜力。但是这样的电池有一些非常严重的缺点：它们将注入的大部分能量浪费为热量并且降解相对较快。它们还需要昂贵的额外组件来泵入和泵出氧气，采用与传统密封电池非常不同的开孔配置。 

但是，一种新的电池化学变体可用于传统的全密封电池，有望在理论性能与锂空气电池相似的同时克服所有这些缺点。

麻省理工学院巴特尔能源联盟核科学与工程教授李菊在《自然能源》杂志上描述了这种称为纳米锂阴极电池的新电池概念。博士后朱志；麻省理工学院、阿贡国家实验室和中国北京大学的其他五人。

李解释说，锂空气电池的缺点之一是电池充电和放电所涉及的电压之间的不匹配。电池的输出电压比用于为其充电的电压低 1.2 伏以上，这意味着在每个充电周期中都会产生显着的功率损耗。“你在充电时浪费了 30% 的电能作为热量。......如果你充电太快，它实际上会燃烧，“他说。

保持稳固

传统的锂空气电池在放电循环期间从外部空气中吸入氧气，以驱动与电池锂发生化学反应，然后在充电循环的逆反应过程中，这种氧气再次释放到大气中。

在新的变体中，在充电和放电过程中，锂和氧气之间会发生相同类型的电化学反应，但它们的发生不会让氧气恢复为气态。相反，氧留在固体内部并直接在其三种氧化还原状态之间转换，同时以三种不同的固体化合物 Li 2 O、Li 2 O 2和 LiO 2的形式结合，它们以玻璃的形式混合在一起。这将电压损失降低了五倍，从 1.2 伏到 0.24 伏，因此只有 8% 的电能转化为热能。“这意味着汽车的充电速度更快，因为从电池组中排出的热量不是安全问题，而且还能提高能源效率，”李说。

这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题：由于充电和放电所涉及的化学反应将氧气在气态和固态之间转化，材料会经历巨大的体积变化，从而破坏结构中的导电路径，严重限制其寿命.

新配方的秘诀在于制造纳米级（十亿分之一米）的微小颗粒，其中包含玻璃形式的锂和氧气，并紧密地限制在氧化钴基质中。研究人员将这些颗粒称为纳米锂。他说，在这种形式下，LiO 2、Li 2 O 2和 Li 2 O 之间的转变可以完全发生在固体材料内部。

纳米锂颗粒通常非常不稳定，因此研究人员将它们嵌入氧化钴基质中，这是一种海绵状材料，孔隙只有几纳米。基质稳定了颗粒，也作为它们转化的催化剂。

李解释说，传统的锂空气电池是“真正的锂干氧电池，因为它们确实不能处理水分或二氧化碳”，因此必须从为电池供电的进入空气中仔细擦洗这些电池。“你需要大型辅助系统来去除二氧化碳和水，而且很难做到这一点。” 但是，无需吸入任何外部空气的新电池就绕过了这个问题。

没有过度充电

研究小组说，新电池本身也受到过度充电的保护，因为这种情况下的化学反应自然是自限性的——当过度充电时，反应会转变为一种不同的形式，从而阻止进一步的活动。“对于典型的电池，如果过度充电，可能会导致不可逆转的结构损坏甚至爆炸，”李说。但对于纳米锂电池，“我们已经将电池过度充电 15 天，达到其容量的一百倍，但完全没有损坏。”

在循环测试中，实验室版本的新电池经过 120 次充放电循环，容量损失不到 2%，表明这种电池可以有很长的使用寿命。而且由于这种电池可以像传统的固态锂离子电池一样安装和操作，而无需锂空气电池所需的任何辅助组件，它们可以很容易地适应现有装置或汽车、电子产品的传统电池组设计，甚至电网规模的电力存储。

该团队表示，由于这些“固体氧”阴极比传统的锂离子电池阴极轻得多，因此对于给定的阴极重量，新设计可以存储多达两倍的能量。李说，随着设计的进一步完善，新电池最终可以再次使容量翻倍。

据李说，所有这些都是在不添加任何昂贵的组件或材料的情况下完成的。他说，他们在这种电池中用作液体电解质的碳酸盐是“最便宜的”电解质。并且氧化钴成分的重量不到纳米锂成分的 50%。总的来说，新的电池系统比锂空气电池“非常可扩展、便宜且安全得多”，李说。

该团队预计在大约一年内从这种实验室规模的概念验证转变为实用原型。

“这是一项基础性突破，可能会改变氧基电池的范式，”俄勒冈州立大学化学助理教授吉秀雷说，他没有参与这项工作。“在这个系统中，基于商业碳酸盐的电解质与溶剂化超氧化物穿梭配合得非常好，这非常令人印象深刻，可能与这个密封系统中没有任何气态 O 2有关。在整个循环过程中，正极的所有活性物质都是固体，这不仅具有高能量密度，而且与当前的电池制造基础设施兼容。”

研究团队包括麻省理工学院研究科学家 Akihiro Kushima 和 Zongyou Yin；北京大学陆奇；伊利诺伊州阿贡国家实验室的 Khalil Amine 和 Jun Lu。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。