鋰空�電池這是一種由日本�(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所與日本學(xué)�(shù)振興�(JSPS)共同開發(fā)出的一種新�(gòu)造的大容量鋰空氣電池。理論上可實(shí)�(xiàn)大容量的“鋰空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚�。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反�(yīng)生成�,阻隔了電解液與空氣的接觸,�(dǎo)致停止放電等問題�
日本�(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所近日�(fā)表新聞公�(bào)說,來自該所和日本學(xué)�(shù)振興會的研究人員研發(fā)出一種新型鋰-空氣電�。這種無需充電的燃料電池將來有望為車輛提供動力�
迄今�(bào)告的鋰-空氣電池存在固體反應(yīng)生成物氧化鋰堆積到正�,阻礙電解液與空氣接觸,�(jìn)而導(dǎo)致電池放電中止等問題。而研�(fā)的這種鋰-空氣電池解決了這一問題,大大提高了電池的放電性能�
研究人員在負(fù)極(金屬鋰)一�(cè)使用有機(jī)電解�,在正極(空氣)一�(cè)使用水性電解液,兩者之間用固體電解�(zhì)隔離,防止兩種電解液混合。中間的固體電解�(zhì)只有鋰離子能通過。新型鋰-空氣電池放電反�(yīng)生成的固體物�(zhì)不是氧化鋰,而是易溶于水性電解液的氫氧化�。這樣就不會引起正極的碳孔被堵塞,從而解決了以往鋰-空氣電池固體反應(yīng)生成物阻礙電解液與空氣接觸的問題�
在實(shí)�(yàn)�,研究人員分別用堿性水溶性凝膠和堿性水溶液作正極的電解�,結(jié)果發(fā)�(xiàn),這種新型鋰-空氣電池的放電性能都比以往該類型電池大幅提�,特別是如果用堿性水溶液作正極電解液,使電池在空氣中�0.1安培/克的放電率放電,那么電池可連續(xù)放電20��
這種新型鋰-空氣電池?zé)o需充電,只需更換正極的水性電解液,通過卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。正極生成的氫氧化鋰可以從使用過的水性電解液中回收,再提煉出金屬�,金屬鋰則可再次作為燃料循環(huán)使用。公�(bào)說,這種新型鋰-空氣電池將來有望�(fā)展成“金屬鋰燃料電池��
日本�(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所�(fā)布的鋰空氣電池的�(shè)�(jì)�(gòu)思是,只在金屬鋰的負(fù)極使用有�(jī)電解液,正極的空氣級使用水性電解液。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用�
如果在負(fù)極的有機(jī)電解液和空氣極的水性電解液之間,用只能通過鋰離子的固體電解�(zhì)隔開的話,可防止兩電解液�(fā)生混合,而且能促�(jìn)電池�(fā)生反�(yīng)。這樣,能夠防止正極的固體反應(yīng)生成物——氧化鋰(Li2O)析出�
該電池通過放電反應(yīng)生成的不是固體氧化鋰(Li2O�,而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰(LiOH),這樣就不會引起空氣極的碳孔堵�。另�,由于水和氮等無法通過固體電解�(zhì)隔膜,因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反�(yīng)的危�(xiǎn)。此�,配置了充電專用的正極,可防止充電時(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和劣化�
�(fù)極采用金屬鋰條,�(fù)極的電解液采用含有鋰鹽的有機(jī)電解�。中間設(shè)有用于隔開正極和�(fù)極的鋰離子固體電解質(zhì)。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝�,與由微�(xì)化碳和廉�(jià)氧化物催化劑形成的正極組合�
放電�(shí)電極反應(yīng)如下:
?�?)負(fù)極反�(yīng)(Li→Li++e-�
金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于有機(jī)電解�,電子供�(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子(Li+)穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液��
�2)正極反�(yīng)(O2+2H2O+4e-�4OH-�
通過�(dǎo)線供�(yīng)電子,空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳表面�(fā)生反�(yīng)后生成氫氧根離子(OH-�。在正極的水性電解液中與鋰離子(Li+)結(jié)合生成水溶性的氫氧化鋰(LiOH��
充電�(shí)電極反應(yīng)如下:
?�?)負(fù)極反�(yīng)(Li++e-→Li�
通過�(dǎo)線供�(yīng)電子,鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過固體電解�(zhì)到達(dá)�(fù)極表�,在�(fù)極表面發(fā)生反�(yīng)生成金屬��
?�?)正極反�(yīng)�4OH-→O2+2H2O+4e-�
反應(yīng)生成�。產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)��
使用了此次新開發(fā)的堿性水性電解質(zhì)凝膠的鋰空氣電池在空氣中�0.1A/g的放電率放電�(shí),放電容量約�9000mAh/g。另�,充電容量也約達(dá)�9600mAh/g。與此前�(bào)道的原鋰空氣電池的容量(700�3000mAh/g)相�,放電容量大幅提�。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠后,在空氣中以0.1A/g的放電率放電�(shí),可連續(xù)放電20�,放電容量約�50000mAh/g�
新的鋰空氣電池沒電時(shí)也無需充電,只需更換正極的水性電解液,通過卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。這是一種新型燃料電�,名為“金屬鋰燃料電池�。理論上30kg金屬鋰釋放的能量�40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰(LiOH�,很容易重新生成金屬�,可作為燃料�(jìn)行再利用�
鋰空氣電池這是一種由日本�(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所與日本學(xué)�(shù)振興�(JSPS)共同開發(fā)出的一種新�(gòu)造的大容量鋰空氣電池�
理論上可�(shí)�(xiàn)大容量的“鋰空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚�。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反�(yīng)生成�,阻隔了電解液與空氣的接�,導(dǎo)致停止放電等問題�
�(fù)�(金屬�)采用有機(jī)電解�,正�(空氣)方面則使用水性電解液,兩極由固體電解�(zhì)隔開,以防止兩電解液�(fā)生混�。由于固體電解質(zhì)只通過鋰離�,因此電池的反應(yīng)可無阻礙地�(jìn)行。正極的反應(yīng)生成物具有水溶�,不�(chǎn)生固體物�(zhì)。實(shí)�(yàn)證明該電池可連續(xù)放電50000mAh/g(空氣極的單位�(zhì)�)�
該技�(shù)極有望用于汽車電�。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液,用卡盒等方式補(bǔ)充負(fù)極的金屬鋰的話,汽車可實(shí)�(xiàn)連續(xù)行駛且無需充電等待�(shí)�??梢詮挠眠^的水性電解液中輕松提取金屬鋰,鋰能夠反復(fù)使用??梢哉f是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池�
鋰離子電池目前已�(jīng)開始在電動汽車上�(yīng)�,為了實(shí)�(xiàn)長距離行�,作為蓄電池�(shí)的高性能化和低成本化備受期待。但目前的鋰離子電池受制于電池容量很難實(shí)�(xiàn)長距離行�,要�(shí)�(xiàn)長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池,因此存在車體價(jià)格大幅上升的問題�
要實(shí)�(xiàn)電動汽車的普及,能源密度需�(dá)到目前的�6�7倍。因�,理論上能源密度�(yuǎn)�(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)�。由于鋰空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物�(zhì),理論上正極容量無限�,因此可�(shí)�(xiàn)大容��
大容量鋰-空氣電池并非新概念,至今都未普及原因是它存在致命缺陷,日本的研究院克服了這個困�,但要想�(shí)�(xiàn)商用,可能還需�10�。減碳,對于人類福祉來說,不是離譜的要求,但對于全球汽車�(yè)來說,卻是一件困難的事情�
眾所周知,鋰離子電池廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦�,目前也已經(jīng)是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。它比其它汽車電池的密度更高、電量更充足,但也更貴,受制于電池容�,充電后的行駛距離仍不夠�(yuǎn)。即將于2010年上市的雪佛蘭Volt混合動力汽車如果僅僅使用電池,只能行�40公里。盡管仍有改�(jìn)的空�,但鋰離子電池的潛力依然有限。普遍認(rèn)為,要實(shí)�(xiàn)電動汽車的普�,能源密度需�(dá)到目前的�6�7�。于是,理論上能源密度遠(yuǎn)�(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)�。雖然仍使用有機(jī)溶媒,但它卻以全新的�(gòu)成極大提高電池的能量密度�
�-空氣電池并非新概�。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物�(zhì),理論上正極的容量密度是無限�,可加大容量。另�,如果負(fù)極使用金屬鋰,理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數(shù)。但�,為什么鋰-空氣電池至今都未普及?原因是它存在致命缺�,即固體反應(yīng)生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆�,使電解液與空氣的接觸被阻斷,從而導(dǎo)致放電停��
2009�2月,日本�(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所能源技�(shù)研究部門能源界面技�(shù)研究小組組長周豪慎和日本�(xué)�(shù)振興會(JSPS)外籍特別研究員王永剛共同開�(fā)出了新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池�?他們通過將電解液分成兩種來解決上述問�。在�(fù)極(金屬鋰)一�(cè)使用有機(jī)電解�,在正極(空氣)一�(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)膜,將兩者隔�。這樣便可防止電解液混�,并促�(jìn)電池�(fā)生反�(yīng)�
�(fù)極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機(jī)電解液。雖然不能棄用有�(jī)溶媒,但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝�,與微細(xì)化后的碳和低�(jià)氧化物催化劑形成的正極組合。在�-空氣電池�,由于放電反�(yīng)生成的并非是固體的Li2O,而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。氧化鋰在空氣電極堆積后,不會導(dǎo)致工作停�。水及氮等也不會穿過固體電解�(zhì)的隔�,因此不存在與負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反�(yīng)的危�(xiǎn)。而且,在充電�(shí),如果配置充電專用的正極,還可防止充�(dǎo)電致空氣電極的腐蝕和老化�
�(shí)�(yàn)證明,以0.1A/g的放電率�(jìn)行放電時(shí),放電容量約�9000mAh/g,而以前的�-空氣電池的放電容量僅�700�3000mAh/g,可以說�(shí)�(xiàn)了容量的大幅增加。另外,如果使用水溶液取代水溶性凝�,便可在空氣中以0.1A/g的放電率連續(xù)放電20�,其放電容量約為5萬mAh/g(空氣極的單位質(zhì)量),比原來高一位數(shù)。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數(shù),因此該�(shù)值共比鋰離子充電電池高兩位數(shù)�
�(xiàn)�,由于水溶液的性能較高,而在易用性上凝膠更為出色,科�(xué)家們今后需要考慮決定究竟對這兩者中的哪一個�(jìn)行開�(fā)。了解到,這種技�(shù)還可考慮與單純的充電電池不同的使用方�。如果不對電池�(jìn)行充�,而是通過汽車底座更換正極的水性電解液,以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰,汽車便可�(shí)�(xiàn)無需充電等待�(shí)�,立即行駛。而且,通過回收用過的水性電解液,以電氣方式重新生成金屬�,還可繼�(xù)作為電池�(fù)極燃料循�(huán)使用,避免產(chǎn)生其他污染。鋰-空氣電池可以說是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池�
科學(xué)家認(rèn)為,鋰空氣電池的性能是鋰離子電池�10�,可以提供與汽油同等的能�。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電,因此這種電池可以更小、更�。全球不少實(shí)�(yàn)室都在研究這種技�(shù),但如果沒有重大突破,要想實(shí)�(xiàn)商用可能還需�10��
小電池,高科技
我們有必要先來了解一下電池技�(shù)的重要�,也許許多讀者會這樣�(rèn)�,“一顆小小的電池算得了什么,沒有必要去研究吧?”其�(shí)不然,電力一直都是我們生活中最重要的能源之一,而電池就是產(chǎn)生或存儲它的一個重要的方式。IBM成立了一個Almaden�(shí)�(yàn)室,它與龍頭企業(yè)、研究所等機(jī)�(gòu)合作開展研究鋰和氧元素結(jié)合材料的電池技�(shù)。在此之�,筆記本電腦和手�(jī)電池的技�(shù)突破是在美國完成的,而現(xiàn)�,日本和韓國已經(jīng)成為了電池技�(shù)的主�(dǎo)國家,IBM希望讓電池技�(shù)的領(lǐng)�(dǎo)�(quán)由亞洲轉(zhuǎn)向美��
就如同美國依賴中東的石油一樣,在汽車行�(yè)從傳�(tǒng)的汽油動力汽車轉(zhuǎn)向綠色的電動汽車�(fā)展之�,這個汽車大國并不想依賴于亞洲的汽車電池。因此美國企�(yè)�(dān)心會錯失這個歷史上最重要的技�(shù)變革�(jī)會以及其帶來的市�。除了IBM,在過去5�,通用電氣也投�1.5億美元資助了新型電池的開�(fā)。就連芯片巨頭Intel也欲投入電池的生�(chǎn),Intel前CEO?Andy?Grove說道:“我們在上世紀(jì)70年代失去了電池技�(shù)的控制權(quán)。電池技�(shù)將決定未�,如果我們不迅速行動,我們將被韓國和日本甩在身后?�?BR> 由于眾多企業(yè)的重視和研發(fā),現(xiàn)有的電池技�(shù)不少,主流的就是鋰離子電�,相信隨意打開手�(jī)、數(shù)碼相�(jī)、筆記本,我們都可以看到其中的鋰電池,現(xiàn)有的電動汽車也多配備了鋰離子電池。電池性能一般以單位重量的能來表�,鋰離子電池在放電時(shí)的能為鎳氫(Ni-MH)電池的兩倍左右。但�,鋰離子電池存在�(yán)重的局限�,就像筆記本出現(xiàn)過的著火事故一樣,一旦鋰離子電池存在�(nèi)部短路就會導(dǎo)致過�、燃燒甚至爆炸等安全性問題。而且鋰離子電池在壽命以及大能成本方面也存在難�。IBM的研究人員認(rèn)�,鋰元素�(jié)合氧氣才是最有前途的電池技�(shù),因?yàn)樗軌蛱峁┫�?dāng)于鋰離子電池10倍的��
不斷�(jìn)步的電池技�(shù)
一般手�(jī)或筆記本電腦中的普通鋰電池,是由有�(jī)電解�(zhì)的石墨(�(fù)電極)和鋰氧化鈷(正電極)組�。在充電�(shí),鋰離子離開正電�,而充電后,隨著鋰電池的放電使�,鋰離子(Li+)漸漸回到正電�。電�(e-)在外部電路中流動,從而產(chǎn)生電�。要提高鋰離子電池能和性能的一個主要因素是,嵌入電極的材料�(shè)�(jì)和合成以及其�(yōu)化生�(chǎn),其他因素包括電解質(zhì)作用、隔層和電池�(shè)�(jì)與組裝等。鋰空氣電池就是在正極上使用空氣中的氧作為活性物�(zhì),因此理論上正極的能是無限的,可加大能。而負(fù)極使用了金屬�,理論能會比鋰離子電池更��
不過,最早研�(fā)出的鋰空氣電池沒有普及的原因在于其存在著致命的缺�,通過化學(xué)反應(yīng),在正極會堆積固體反�(yīng)生成物——氧化鋰(Li2O�,它將使電解液與空氣的接觸被阻斷,從而導(dǎo)致放電停�。于是日本產(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所�(fā)布了新的鋰空氣電池設(shè)�(jì),只在金屬鋰的負(fù)極使用有�(jī)電解�,而在正極的空氣一�(cè)使用水性電解液,在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)隔膜,將兩者隔�,這樣便可防止電解液混�,并促�(jìn)電池�(fā)生高效反�(yīng)�
空氣化學(xué)反應(yīng)�(fā)�
新的鋰空氣電池在放電�(shí),負(fù)極的金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于含有鋰鹽的有�(jī)電解�,并將帶�(fù)電的電子(e-)供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液�。正極通過�(dǎo)線得到電�,空氣中的氧�(O2)和水(H2O)在微�(xì)化碳表面�(fā)生反�(yīng)后生成氫氧根離子(OH-�。在正極的水性電解液中與鋰離子結(jié)合生成易溶于水性電解液的氫氧化鋰(LiOH�。由于不是固體氧化鋰,這樣就不會引起空氣正極的碳孔堵塞。另外,由于水和氮等無法通過固體電解�(zhì)隔膜,因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反�(yīng)的危�(xiǎn)�
在充電時(shí),負(fù)極通過電源�(dǎo)線得到電�,鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過中間的固體電解質(zhì)到達(dá)�(fù)極表面,在負(fù)極表面發(fā)生反�(yīng)生成金屬�。正極反�(yīng)生成�,產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)�。此�,正極的水性電解液使用堿性水溶性凝�,與由微�(xì)化碳和廉�(jià)氧化物催化劑形成的正極組合,因此相比以前使用鋰氧化鈷正極的成本更�。而且鋰空氣電池還配置了充電專用的正極,可防止充電�(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和劣化�
�(yōu)勢高�(dá)100�
新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率�(jìn)行放電時(shí),放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅�700�3000mAh/g,可以說�(shí)�(xiàn)了能的大幅增加。另�,充電能也達(dá)到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝�,便可在空氣中連續(xù)放電20天,其放電能約為50000mAh/g,比原來約高10�。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10�,因此使用新技�(shù)后共比鋰離子電池約高100�。盡管水溶液性能較高,但凝膠的易用性更為出�,今后使用哪種材料就要廠家根�(jù)需要�(jìn)行開�(fā)�
新結(jié)�(gòu)的鋰空氣電池還在考慮與傳�(tǒng)電池不同的使用方�,如果鋰空氣電池沒電了也可以不必�(jìn)行充�,只需要通過更換正極的水性電解液,以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰,就可以連續(xù)使用。基于這種新技�(shù),筆記本、電動汽車便可無需充電等待�(shí)�,立即使用或行駛。而且通過回收用過的水性電解液中空氣極生成的氫氧化�,以化學(xué)反應(yīng)的方式很容易重新生成金屬�,還可實(shí)�(xiàn)鋰的反復(fù)使用,可以說這是一種以金屬鋰作為消耗物�(zhì)的新型電�,理論上30kg金屬鋰釋放的能量�40L汽油釋放的能量基本相��
雖然仍使用有�(jī)溶媒,但不同的是以全新的�(gòu)成來提高電池的能量密�,這就是鋰-空氣電池。在這種嘗試�,日本產(chǎn)�(yè)技�(shù)綜合研究所與日本學(xué)�(shù)振興會開�(fā)出了新結(jié)�(gòu)的鋰-空氣電池�
鋰—空氣電池的概念很早就提出來�。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物�(zhì),因此理論上正極的容量密度是無限�,可加大容量。另外,如果�(fù)極使用金屬鋰,理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數(shù)�
不過,鋰-空氣電池至今都未普及。原因是存在致命缺陷,即固體反應(yīng)生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆�,使電解液與空氣的接觸被阻斷,從而導(dǎo)致放電停��
日本�(chǎn)綜研通過將電解液分成兩種解決了這一問題。在�(fù)極(金屬鋰)一�(cè)使用有機(jī)電解液,在正極(空氣)一�(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)�,將兩者隔開。這樣便可防止電解液混�,并促�(jìn)電池�(fā)生反�(yīng)�
�(fù)極采用金屬鋰�。負(fù)極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機(jī)電解�。雖然不能棄用有�(jī)溶媒,但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠,與微�(xì)化后的碳和低�(jià)氧化物催化劑形成的正極組��
在該電池�,由放電反應(yīng)生成的并非是固體的Li2O,而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。因�,氧化鋰在空氣電極堆積后,不會導(dǎo)致工作停�。另外,水及氮等也不會穿過固體電解質(zhì)的隔�,因此不存在與負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反�(yīng)的危�(xiǎn)。而且,在充電�(shí),如果配置充電專用的正極,還可防止充�(dǎo)電致空氣電極的腐蝕和老化�
�0.1A/g的放電率�(jìn)行放電時(shí),放電容量約�9000mAh/g。以前的�-空氣電池的放電容量僅�700�3000mAh/g,可以說�(shí)�(xiàn)了容量的大幅增加�
另外,如果使用水溶液取代水溶性凝膠,便可在空氣中�0.1A/g的放電率連續(xù)放電20�,其放電容量約為5萬mAh/g,比原來高一位數(shù)。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數(shù),因此該�(shù)值共比鋰離子充電電池高兩位數(shù)。水溶液的性能較高,但在易用性上凝膠更為出色。今后需要考慮對這兩者中的哪一個�(jìn)行開�(fā)�
這種技�(shù)還可考慮與單純的充電電池不同的使用方�。如果不對電池�(jìn)行充電,而是通過底座更換正極的水性電解液,以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰,汽車便可無需充電等待�(shí)間,立即行駛。通過回收用過的水性電解液,以電氣方式重新生成金屬�,還可實(shí)�(xiàn)鋰的反復(fù)使用??梢哉f是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池�
技�(lián)�(wǎng)www.tvanet.cn�(bào)�,美國西北太平洋國家�(shí)�(yàn)室(PNNL)的研究�(tuán)�(duì)利用新途徑,構(gòu)建出了可用于鋰空氣電池的多孔分層石墨�。這種基于氣泡�(gòu)建的石墨烯結(jié)�(gòu)的形�(tài)與破損的蛋殼相似,可大大提高鋰空氣電池的儲能容量,未來有望取代應(yīng)用于電動汽車的傳�(tǒng)光滑石墨烯片,解決普通石墨烯在使用中易被微粒阻塞的困��
科研人員表示,自我裝配的多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設(shè)�(jì),也可以�(yīng)用于許多其他潛在的能源存儲領(lǐng)域。此�,新型石墨烯材料將不依賴于鉑或其他貴金屬,可有效降低成本和對�(huán)境的影響�
鋰空氣電池可支持�(yuǎn)程電動汽�,雖然自身重量很�,但其應(yīng)用仍受限于實(shí)際的儲能容量和較差的循環(huán)壽命。此次研究展示了如何�(shí)�(xiàn)電池容量的化。材料學(xué)家表示,這對于電動汽車和能量存儲�(lǐng)域的�(yīng)用十分關(guān)��
鋰空氣電池成明日之星
鋰離子電池想提升容量,就會有�(chǎn)生過重的問題。于是有研究人員開始將鋰離子電池中不�(fā)電的石墨電極等傳�(tǒng)零件的比例降�,改用一整面的鋰金屬�(dāng)作陽極,并在陰極使用重量極輕的多孔碳材取代重金屬觸媒,將電池重量減到最輕,同時(shí)也減小體�,來提升能量密度。這正是目前備受關(guān)注的技�(shù)–鋰空氣電池�
根據(jù)IBM“Battery500”計(jì)劃指�,目前的鋰離子電池充滿電可讓電動車行駛約100英哩,雖對于一個普通家庭來說已�(jīng)足夠,但是如要遠(yuǎn)程旅�,仍必須大幅提升�(xù)航力�
因此,IBM�2009年開始投入鋰空氣電池的研�,預(yù)�(jì)能將目前鋰離子電池的能量密度(~100�200Wh/Kg)提升10�,讓電動車充電一次至少可行駛500英哩(�800公里)。以能量密度來計(jì)算,鋰空氣電池是最能夠取代汽油的電池種�,也因此,鋰空氣電池已成為電動車電池的明日之星�
鋰空氣電池的�(fā)電原理是在陽極將鋰金屬氧化產(chǎn)生電子與鋰離�,電子供給外部電路電力,而鋰離子則經(jīng)由電池內(nèi)部的電解�(zhì)傳導(dǎo)至陰�,與空氣中的氧分子及外電路流入的電子�(jìn)行還原反�(yīng),形成完整的電化�(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生電�。由于空氣隨處可�,讓鋰空氣電池可做的更輕、更�,不必再�(dān)心燃料儲存空間的問題�
美日作法大不�
而根�(jù)國情不同,各國對鋰空氣電池的充換也有不同的研�。以美國為例,由于美國土地較�,換電站或充電站距離�(yuǎn),不易隨�(shí)充換電,因此IBM研究主題專注于如何做出二次電��
�(dāng)電池為二次電池時(shí),重�(fù)充放電的效能及相�(guān)電池壽命與安全問題變成重要的考量。目前使用多孔膜�(mesoporousmembrane)吸附電解液做為分隔正�(fù)極的隔離�(separator)的鋰二次電池在安全上的問題是充放電時(shí),”dendrite”會成長并穿越多孔隔離膜間的空隙,當(dāng)正負(fù)極因dendrite成長而接觸了,將會使電池短路、迅速放熱,這正是時(shí)常聽到鋰二次電池爆炸的原�。而在需要大電流充放電的操作�(huán)境下的電動車電池,這樣的問題會更顯�(yán)��
為了解決這樣的問題,IBM不用多孔隔離膜的形式,而是改采純有�(jī)液態(tài)電解�(zhì)的形式以提高離子傳導(dǎo)�,另一方面則是在鋰金屬表面加上一層具有良好鋰離子傳導(dǎo)特性的氧化物來�(wěn)定電極與電解液之間的接觸介面,以抑制dendrite的成�。然�,液�(tài)電池卻又有漏液的安全問題,很難兩全齊��
此外,這樣的方式所面臨的問題是,鋰空氣電池在放電的過程�,固體反�(yīng)生成物–氧化鋰(Li2O)及過氧化�(Li2O2)并不溶解于有�(jī)電解液中,而會在正極堆積,�(dǎo)致空氣流量下�,這時(shí)電解液與空氣的接觸逐漸被阻斷,�(fā)電效能愈來愈�。因此,如何在放電后期維持一樣的�(fā)電效能是電極�(shè)�(jì)所需克服的難��
和美國走不同路線的日本則是選擇換電池的方�。就像一般燃料電池燃料用完,更換氫氣或甲�,日本的�(shè)�(jì)是鋰空氣電池沒電了,就將整顆電池?fù)Q�,不需要花�(fèi)兩三個小�(shí)等待充電�(shí)�;而沒電的電池則由專門的工廠回收再��
趙基�(yáng)表示,這樣的方式和汽油車開車習(xí)慣較為相�,且日本使用的系�(tǒng)為有�(jī)液態(tài)電解�(zhì)與水溶液電解�(zhì)的混合系�(tǒng),在陽極與鋰金屬相接觸的電解�(zhì)為有�(jī)溶液相,而在陰極則使用電解質(zhì)水溶�,此兩種電解�(zhì)中間以一層可傳導(dǎo)鋰離子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻�。在陰極由于鋰氧化物會被溶解在水溶液里,因此也較不會有電極孔洞被塞住,降低效能的問題。但鋰氧化物溶于水溶液后會產(chǎn)生鹼性物�(zhì)氫氧化鋰(LiOH),而LISICON薄膜在鹼性環(huán)境下不穩(wěn)�,對長期操作的穩(wěn)定性是一大挑�(zhàn)�
水分子易穿� 隔離膜擋不住
盡管�、日做法不同,但是同樣存在一個的瓶頸–水??諝庵谐搜鯕庵�?,還包含許多雜質(zhì),其中最難排除的,就是水分子。鋰金屬�(wěn)定度較差,容易和水產(chǎn)生反�(yīng)氧化,導(dǎo)致鋰金屬表面�(chǎn)生高電阻的鋰氧化物,而大幅降低電池的放電效率�
趙基�(yáng)指出,為了阻隔空氣中的水分�(jìn)入電池中,一般的做法是在陰極的外層加上一層疏水的多孔膜材以使氧通過而不使水分子通過。然而此種方法的效果有限,原因在于阻氣膜是利用孔隙對不同大小分子的選擇性來做阻�,但水分子體積卻比氧分子�,阻氣膜難以將水分子完全隔絕在外�
目前的辦法是將液�(tài)電解�(zhì)改為固態(tài)電解�(zhì),其致密的膜材結(jié)�(gòu)一方面可以降低水分子穿透�,也能夠抑制dendrite成長,也不會有漏液問題產(chǎn)生,這些較為�(wěn)定的特性能夠大幅提升安全��
趙基�(yáng)正帶�(lǐng)其研究團(tuán)�(duì)在�(jìn)行固�(tài)高分子電解質(zhì)的研究,但固�(tài)電解�(zhì)的離子傳�(dǎo)度相較于液態(tài)差很�,因此其研究的挑�(zhàn)在于如何提升其鋰離子的傳�(dǎo)特�。他指出,雖沒辦法讓固態(tài)電解�(zhì)傳導(dǎo)性超越液�(tài),但是至少要接近�
�(dāng)�,有更多相關(guān)�(jì)劃在全球各地如火如荼地在�(jìn)行著,只是各自面臨不同的挑戰(zhàn),要克服這些挑戰(zhàn),一般預(yù)估鋰空氣電池至少還需要花上十年才能夠商品��
維庫電子�,電子知識,一查百��
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