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锂-空气电池有望解决电动汽车续航难题

时间: 2012年08月08日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
“会呼吸”的锂电池的电容量远高于现今任何电池,我们希望它能早日走下设计图纸,带着电动汽车们奔驰上路。
 
锂-空气电池: 圣安德鲁斯大学的化学家们正在寻找可以让锂-空气电池成功放电并经受住无数充-放电轮回考验的材料。(图片来源:圣安德鲁斯大学)
 
    一种储量可达到传统锂离子电池十倍之多的全新“吸气式”锂电池,大概可以解决现在电动汽车的续航困境——如果它能胜利走出实验室的话。在正式上岗之前,锂-空气电池需要找到合适的电解液和电极材料,有了这些特殊材料的支撑,新电池才能承受起未来无数次的充放电化学反应。
    锂-空气电池具有十分诱人的应用前景,但受限于难以找到可用的电解液和电极材料,科学家曾预言这份美梦在未来十年内都无法成真。不过,一队化学家现在似乎已经找到了解决的方法:闪闪的金子。
    这群来自苏格兰圣安德鲁斯大学的研究人员,最先否决掉用黄金来制作电动汽车电池人。不过,在实验室的电池制造过程中使用黄金,也许会为潜力巨大的锂-空气电池最终走向市场助上关键的一臂之力。
    在上周五发表在《科学》(Science)上的一篇论文中,圣安德鲁斯的化学家描绘出了一种使用DMSO(二甲亚砜)作为电解液,并用多孔的黄金作为电极的锂-空气电池的实验模型,这种实验电池在充-放电100次以后,其电池容量仍能保持最初的95%。
    现有锂离子电池的内在属性决定了它们在容量上的局限,它们也因此无法在电动汽车上尽情发挥。现今电动汽车上使用的锂离子电池使用金属氧化物或磷酸化物作为正极,碳材料作负极,通过加入电解液来促使锂离子在两极间的流动。当电车发动时,锂离子从负极经过一个隔膜流向正极,而电池充电时离子的流向正好相反。锂离子电池的电极中可以容纳的锂离子数量有限,电池的储电量因此受到限制,这使得科学家们不得不在研究中另辟蹊径。
    “锂离子电池的储能密度很高,从这点来看它是我们的最佳选择。它已经逐渐渗透到我们的生活,包括在电动汽车上的应用。”圣安德鲁斯大学化学系教授彼得•布鲁斯(Peter Bruce)这样说道。“我们也发现,现在的汽车电池的储电量至少再扩充一倍才能真正满足行驶的要求。这一点传统锂离子电池无法企及,所以我们才将目光投向了锂-空气电池。”
    简单来说,锂-空气电池在汽车发动状态下,可以收集空气中的氧气作为电池反应的原料。这意味着这种新电池不再需要笨重的金属氧化物作为电极,减负以后的电池可以获得更多的储能空间。在多孔的金制正极的表面,氧分子可以与锂离子和电子发生化学反应,形成过氧化锂。过氧化锂的形成过程即是电池的放电过程,汽车由此被驱动。当电池充电时,发生的化学反应刚好相反,氧气会被释放返回大气。
    目前,锂-空气电池的研发重点是寻找电解液和正电极的材料。经过测试的大部分电解液和电极在几个充-放电循环后就会发生降解,这会导致过氧化锂生成量的锐减,或是反应发生的不完全。所以,布鲁斯和他在圣安德鲁斯的同事彭长全(Zhangquan Peng)、斯蒂凡•弗朗伯格(Stefan Freunberger)和陈玉辉(Yuhui Chen),一直在寻找一种电极,可以让化学反应在多轮充-放电循环后仍然正常进行。
    但用全真金打造一个区区电极毕竟有奢华到无耻的嫌疑,为了降低成本,圣安德鲁斯的科学家们正在试验镀金的碳电极是否也能达到相同的良好效果。
    “实验结果显示,我们建立的一个可以在锂-空气电池中发生的电化学反应模型,似乎也是可逆的”,布鲁斯说道。他的团队成功地发现了黄金作为锂-空气电池的一种电极材料的可行性,黄金在非水的溶液环境中的稳定性使得它可以抵御氧气的侵蚀,而多孔的性状又允许了在电化学反应中生成的过氧化锂的嵌入。“我们还不知道纳米级别的多孔金材料是否也有这种级别的稳定性,我们还得再做一些工作来确定这一点。” 
    锂-空气电池是现今汽车电池研究开发的焦点之一,包括阿贡国家实验室、麻省理工学院和IBM在内的不少研究机构和企业都在这一领域辛勤劳作,未来还会有好消息,我们就耐心等待吧。 
 
(环球科学  吴兰)
 
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