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鋰-空氣電池有望使電動(dòng)車性能提升10倍

作者：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司來源：http://www.sikpqwc.cn 日期：2013-06-24 10:07:32

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia Nationaal Laboratory)的研究人員在鋰-空氣電池領(lǐng)域取得了人們期盼已久的進(jìn)展。該研究為鋰-空氣電池充電時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)帶來了新的洞見。

據(jù)spectrum.ieee.org網(wǎng)站5月18日?qǐng)?bào)道，鋰-空氣電池有望實(shí)現(xiàn)五至十倍于傳統(tǒng)鋰離子電池的蓄電能力，因此很多人認(rèn)為他們可能已經(jīng)掌握了解題的關(guān)鍵，能將電動(dòng)汽車從汽車業(yè)的一個(gè)利基市場(chǎng)轉(zhuǎn)化成更加龐大的細(xì)分市場(chǎng)。

毋庸置疑，電動(dòng)汽車仍然是媒體報(bào)道的焦點(diǎn)，比如最近贏得《消費(fèi)者報(bào)告》(Consumer Reports)有史以來汽車類別最高評(píng)分的特斯拉Model S汽車(Tesla Model S)。我猜《消費(fèi)者報(bào)告》的編輯們一定不會(huì)介意其425公里的續(xù)航里程或者長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間。

要使電動(dòng)汽車更加契合人們對(duì)現(xiàn)有的化石燃料動(dòng)力汽車的慣性期待——也就是說650公里的續(xù)航里程以及約兩分鐘加滿油行駛下一個(gè)650公里——那么，為這些全電動(dòng)汽車供能的電池技術(shù)就得實(shí)現(xiàn)一場(chǎng)大的飛躍。

盡管眼下我們用來給電動(dòng)汽車供能的鋰離子電池一直以來也都在改進(jìn)，但一種流傳很久的說法是，從技術(shù)上講，當(dāng)初啟用鋰離子電池可能是選錯(cuò)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(dá)到約1000瓦時(shí)/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(dá)到400瓦時(shí)/千克。正如美國(guó)前能源部部長(zhǎng)朱棣文(Steven Chu)所言，電池科技若要與內(nèi)燃機(jī)相抗衡，其蓄電能力還得提升至當(dāng)今電池的六到七倍。

而就是在這一點(diǎn)上，鋰-空氣電池以其十倍于鋰離子電池的蓄電能力強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)。但時(shí)至今日，這種電池除了在高度受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)可行之外，要在其他任何地方實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍然是個(gè)重大的難題。

在發(fā)表于美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)期刊《納米快報(bào)》(Nano Letters)的論文(《用原位透射電鏡觀察過氧化鋰電化學(xué)氧化反應(yīng)的研究》)中，麻省理工學(xué)院和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jìn)展中的一個(gè)難題——析氧反應(yīng)。

研究人員正是在這一反應(yīng)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(chǎn)生的副產(chǎn)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(dòng)，從而阻礙電池充電。然而，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在充電時(shí)，當(dāng)電子通過碳納米管時(shí)，放電時(shí)形成的過氧化鋰又會(huì)逐漸縮小。這意味著，如果能加快電池的電子轉(zhuǎn)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(guān)鍵的制約因素——電子轉(zhuǎn)移。”美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)研究員Jie Xiao表示。這一例子向我們展示，基礎(chǔ)研究可以顯著提升我們?cè)趯?shí)踐應(yīng)用中化解難題的能力。論文中所提供的信息將對(duì)鋰-空氣電池中空氣電極的合理化設(shè)計(jì)提供洞見。

雖然該研究仍然沒有為這些電池在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的應(yīng)用指明道路，但選取一種至少有望讓電動(dòng)汽車與化石燃料驅(qū)動(dòng)汽車相比肩的電池科技作為未來的道路，

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