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关键技术争论机理被阐明,锂空气电池离实际应用更进一步

北极蚊子 2017-8-18 18:48

电池研究者们认为锂空气(又名锂氧)电池是未来电池技术中最有发展前景的技术之一。锂空气优势是基于对电极的改变。电池电极通常由金属或金属氧化物制成,而在锂空气电池中,一端的电极被替换成了可以在电池里外流通自如的空气,原来沉重的物质被替换成了没有重量的物质;另外一端的电极则是由重量极轻的纯锂制成。这种电池可以提供的电量是目前市面上同质量锂离子电池的 3 倍。

图丨实验中使用的锂氧电池组件

然而,在研发此类电池的过程中所进行的很多实验却得出截然相反的,而且另人困惑的实验结果,随之而来的还有关于如何理解这些实验结果的矛盾。

近日,一组来自麻省理工学院(MIT)的研究团队围绕一种有希望成为新型电池材料的化合物,碘化锂(Lil),进行了一系列的实验,似乎解决了关于锂空气电池实验结果的矛盾。最新成果以论文的形式发表在了《能源和环境科学》上,论文的作者为MIT W.M. Keck能源教授邵阳(Yang Shao-Horn),MIT电子研究实验室博士后Michal Tulodziecki,MIT研究生Graham Leverick等九人。

锂空气电池理论上的优势在实际应用中被三个难题所限制:需要高压充电、电能转出效率低下和使用寿命短,这些都是由氧电极的不稳定性导致的。为了解决这些问题,研究人员提出在电解质中添加碘化锂。

这种化合物被看作是解决锂空气电池难题,如电池无法承受很多次的充电放电循环,的可行方法。然而也有相反的发现指出,使用这种物质解决上述问题是徒劳无功的。

“一些实验表明碘化锂的加入的确改善了电池寿命,而另一些则显示加入碘化锂导致了非可逆反应和更短的电池寿命,”邵阳教授表示。他和团队的最新研究解释了这些看法之间的差异,尽管最终的结论表明该物质似乎并不能胜任,但是现有成果为克服碘化锂缺点和寻找其它材料的研究方向提供了参考。

“之前,为了制作可行的锂空气电池,大部分的研究都是侧重于有机物的,”论文的主要作者 Michal Tulodziecki 解释,“但其中是大部分的有机物都是不稳定的,这就是为什么人们继而在碘化锂(无机物)上投入了大量精力。一些论文表示引入碘化锂可以让电池增加成千上万次的充电循环,但是也有人表示这样做会破坏电池。”

图丨这些图片展示了在锂氧电池充电过程中发生的化学反应

在最新研究中他表示,“在加水和不加水两种情况下,我们仔细地探索了碘化锂是如何影响这个过程的”,实验结果显示这两种情况的对比其实至关重要。

不同于大多数其它研究,该研究小组采用了一种特殊方法来观察碘化锂在锂空气电池放电过程中扮演的角色。一组研究是将物质放在电池外部进行的,这样可以让研究人员对反应的每一部分进行调整归零,另一组的研究则是在电池内部,用来弄辅助解释整个过程。

之后,他们使用了紫外线及可见光光谱和其他技术来研究发生的反应。这两个过程中都有不同的锂化合物生成,比如在有碘化锂和水的条件下生成了 LiOH,而不是 Li2O2 。碘化锂可以增强水的反应性,使其更容易失去质子,从而在电池中促进 LiOH 的生成和影响充电过程。研究小组通过观察发现,采用手段抑制以上的反应可以让碘化锂这类化合物的效果更加明显。

图丨锂离子让水更易发生反应

“这项研究或指引我们放弃碘化锂,选择一个不同的化合物专门抑制电极表面多余的化学反应,” Leverick 说。他还补充道,“这项研究证明了‘仔细研究具体机理’的重要性。”

邵阳表示,“这些新发现揭示了现有关于碘化锂作用的各方观点的根本冲突,我们相信这可以阐明和融合与此冲突相关的各种看法。”

研究人员还表示,这仅仅是向“将锂空气技术运用到现实生活中”这个长远目标迈出的一小步。“还有太多环节需要了解,” Leverick 说,“所以一篇论文完全不足以解决问题,但是我们将坚持不懈继续研究。”

美国阿贡国家实验室的 Larry Curtiss 表示,“使用氧原子和锂离子的锂氧电池如此受到青睐,是因为它们可以大幅提高电动汽车的行驶距离。然而,难题之一就是这些电池的效率很低。”

虽然他并未参与该研究,但在了解了成果之后,他表示,“这项研究展示了添加随处可见的盐或碘化锂,或许能够提高电池效率。他们为‘如何让碘化锂辅助打破固态放电产物’提供了新的见解,这将帮助实现高级电池系统的研发。”

Curtiss 补充道,“虽然在这种电池技术实现和普及之前,还有很多重大难题需要攻克,比如增加足够长的电池寿命,但这项研究成果对电池领域的贡献也是重大的。”

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