英国剑桥大学突破锂空气电池瓶颈
2015-10-31 17:13:28   来源：澎湃新闻网   评论：0 点击：

上为锂空气电池的原理图

　　当电池的续航能力不再成为瓶颈，电动汽车的发展便将进入爆发式发展阶段。这一天已经不再遥远。

　　根据英国《金融时报》当地时间10月30日的报道，剑桥大学(Cambridge University)在电化学领域的一项突破，或将催生可充电的超级电池。这种电池在给定空间内存储的能量是目前最好电池的五倍，可大大拓展电动汽车的续航里程，并可能大幅改观电力存储的经济效益。

　　该动力电池为锂空气电池，高比能量锂空气电池是未来大容量纯电动汽车潜在的动力电源技术之一，被认为是未来的发展方向。不过，可查资料显示，由于空气锂电池的充电动力学速率低限制了其实际性能的提升，导致其过电位高、循环性能差、电流密度低、电极材料不稳定、电解质分解等问题。

　　剑桥大学的化学教授克莱尔•格雷(Clare Grey)和她的团队攻克了锂空气电池开发中的技术难关。金融时报称，如果能把该技术从实验室的演示品转变为商品，将令汽车只充一次电就能行驶约650公里。

　　发表在《科学》(Science)期刊上的一篇研究论文显示，剑桥的这个团队攻克了这种技术中的部分实际问题——尤其是化学上的不稳定问题。在此之前，由于这种化学上的不稳定，锂空气电池会显示出性能迅速衰退的现象。

　　格雷教授表示：“我们取得的成就使这项技术向前迈出了重要一步，预示着全新的研究领域。我们仍未全盘解决这一化学机制所固有的问题，但我们的成果确实揭示了前行的道路。”

　　和目前的可充电电池中盛行的锂离子技术相比，锂空气电池理论上拥有巨大的优势——其能量密度可能要高10倍——以至于全球的研究人员都在开展锂空气电池的研究。

　　论文第一作者、剑桥大学的刘韬博士在接受新华社记者采访时介绍说，近20年来，锂－空气电池在全球被广泛研究。典型情况下，这种电池使用锂金属作为负极材料，正极则为多孔的导电碳材料。放电时，从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应，产生一种叫过氧化锂的固体产物，填充于碳电极的孔隙中。充电时，化学过程逆转，过氧化锂被分解释放氧气。该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍，但实际应用时却存在多个重大缺陷。

　　刘韬说，该电池的反应产物过氧化锂及反应中间产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短；由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，还会导致分解电解液及碳电极等副作用。

　　放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束；充电时，锂金属负极表面会以树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患；锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。

　　在最新工作中，刘韬等人改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料，利用水和碘化锂作为电解液添加剂，最终产生和分解的是氢氧化锂，而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定，大大降低了电池中的副反应，提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外，似乎还起到了保护锂金属负极的作用，使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它，同量的水会直接使电池失效，完全无法充放电。

　　他们开发出的锂－空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克，是现有锂离子电池的约8倍，可循环充放电上千次，首次循环充放电效率高达93%，即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。