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鋰-空氣電池新發現為電動汽車帶來希望

鋰電中國瀏覽量:6378時間:2013-05-21 09:15:38

美國麻省理工學院(MIT)與桑迪亞國家實驗室(Sandia Nationaal Laboratory)的研究人員在鋰-空氣電池領域取得了人們期盼已久的進展。該研究為鋰-空氣電池充電時發生的電化學反應帶來了新的洞見。

鋰-空氣電池有望實現五至十倍于傳統鋰離子電池的蓄電能力,因此很多人認為,他們可能已經掌握了解題的關鍵,能將電動汽車從汽車業的一個利基市場轉化成更加龐大的細分市場。

毋庸置疑,電動汽車仍然是媒體報道的焦點,比如最近贏得《消費者報告》(Consumer Reports)有史以來汽車類別最高評分的特斯拉Model S汽車(Tesla Model S)。我猜《消費者報告》的編輯們一定不會介意其425公里的續航里程或者長達數小時的充電時間。

要使電動汽車更加契合人們對現有的化石燃料動力汽車的慣性期待——也就是說650公里的續航里程以及約兩分鐘加滿油行駛下一個650公里——那么,為這些全電動汽車供能的電池技術就得實現一場大的飛躍。

盡管眼下我們用來給電動汽車供能的鋰離子電池一直以來也都在改進,但一種流傳很久的說法是,從技術上講,當初啟用鋰離子電池可能是選錯了道。

若要使電池的性能與化石燃料相媲美,那么電池的能量密度就需達到約1000瓦時/千克。而眼下我們所使用的鋰離子電池,就算性能翻番也只能達到400瓦時/千克。正如美國前能源部部長朱棣文(Steven Chu)所言,電池科技若要與內燃機相抗衡,其蓄電能力還得提升至當今電池的六到七倍。

而就是在這一點上,鋰-空氣電池以其十倍于鋰離子電池的蓄電能力強勢登場。但時至今日,這種電池除了在高度受控的實驗室環境內可行之外,要在其他任何地方實現應用仍然是個重大的難題。

在發表于美國化學學會(ACS)期刊《納米快報》(Nano Letters)的論文(《用原位透射電鏡觀察過氧化鋰電化學氧化反應的研究》)中,麻省理工學院和桑迪亞國家實驗室的研究人員使用透射電子顯微鏡(TEM),深入探究了阻礙鋰-空氣電池進展中的一個難題——析氧反應。

研究人員正是在這一反應中首次觀察到了過氧化鋰(Li2O2)的氧化。過氧化鋰是鋰-空氣電池放電過程中產生的副產物。觀察顯示,過氧化鋰主要在電池基板的界面生成,后者由多壁碳納米管制成。

在該位置,過氧化鋰阻礙電子流動,從而阻礙電池充電。然而,研究人員還發現,在充電時,當電子通過碳納米管時,放電時形成的過氧化鋰又會逐漸縮小。這意味著,如果能加快電池的電子轉移,那么也就能提升這些電池的充電速度。

“這篇論文找出了關鍵的制約因素——電子轉移……作出了重要貢獻!泵绹鞅碧窖髧覍嶒炇遥≒acific Northwest National Laboratory)研究員蕭杰(音)表示。這一例子向我們展示,基礎研究可以顯著提升我們在實踐應用中化解難題的能力。論文中所提供的信息將對鋰-空氣電池中空氣電極的合理化設計提供洞見。

雖然該研究仍然沒有為這些電池在實驗室環境之外的應用指明道路,但選取一種至少有望讓電動汽車與化石燃料驅動汽車相比肩的電池科技作為未來的道路,也不失為明智之舉。(丁盈幸/譯)

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