新型鋰空電池，能量超乎你想像！

材料牛注：在電池陰極的一個新概念中，將鋰氧化合物的納米級顆粒嵌入在海綿狀的氧化鈷晶格中，能夠使電池保持穩定。同時，該材料可以包裝在電池內，類似于傳統的密封電池，但能提供更多的能量。

在電動汽車和便攜式電子設備方面，由于鋰空氣電池在相同的質量下能夠提供更高的能量，所以其擁有著光明的前景。但是這種電池也有極大的缺點：它們把大量注入的能量作為熱量散失掉了，并且電池也會逐漸的退化。再者，它們也需要昂貴的的額外組件輸送或輸出氧氣，其是一個開放的電池結構，和傳統的密封電池是截然相反的。

但該化學電池可以被使用在一個傳統的、全密封的電池內，這一新的變化預示著類似的理論性能能夠運用于鋰空氣電池中，同時克服所有的這些缺點。 稱為nanolithia的陰極電池是一個新的電池概念，這一概念通過Ju Li和博士后Zhi Zhu以及麻省理工學院五人，以論文的形式發表在Nature Energy的雜志中。 Ju Li是麻省理工大學核科學與工程巴特爾能源聯盟教授，麻省理工學院5人來自阿貢國家實驗室和中國的北京大學。

Li解釋說，鋰空氣電池的缺點之一是在涉及充放電電池時，電壓不匹配。 電池的輸出電壓超過1.2伏，但是此時的電壓卻低于用于充電的電壓。很明顯，在每個充電周期內，存在著功率損耗。他說：“在充電的時候，你把30%的電能作為熱能浪費掉了，事實上，如果你充電的速度過快的話，電池有可能就燃燒掉。”

傳統的鋰空氣電池在放電循環過程中從外部空氣中吸取氧氣來驅動化學反應，而在充電循環的反向反應過程中氧氣再次被釋放到大氣中。 在新一輪的充放電過程中，鋰和氧之間的電化學反應發生依舊，但此時的反應卻不再使氧還原成氣態形式。

相反，氧存在于固體內部并且直接在它的三個價態之間進行氧化還原轉化，同時束縛在三種不同的固體化合物Li2O、 Li2O2、LiO2中，并將它們混合在一個杯子中。這降低了五分之一的電壓損失，從1.2V到0.42V，所以只有8%的電能變成熱。Li說：“對于汽車而言，這意味著更快的充電，電池組的熱量排出減少了安全隱患，并且有利于能源效率的提升。”

這種方法有助于克服鋰空氣電池另一個弊端：隨著充放電化學反應過程的進行，氧在氣體和固體之間轉化，此時材料需經歷巨大的體積變化，從而擾亂結構中的導電路徑，進而嚴重限制其使用壽命。該新構想的方法則是創造納米級的微小顆粒，將鋰和氧容納在杯子里，使其緊緊的限制在氧化鈷晶格中。

研究人員將這些粒子定義為nanolithia，在這種形式下，LiO2、 Li2O2、 Li2O可以完全地發生于固體材料內部。nanolithia顆粒通常會很不穩定，因此研究人員將其嵌入在氧化鈷晶格內，形成的海綿狀材料的nanolithia顆粒的孔隙直徑只有幾個納米。這種模型有利于顆粒的穩定，同時也可以為它們的轉化充當催化劑。

Li解釋說：“傳統的鋰空氣電池是真正的干電池，因為它們很難去除水分和二氧化碳”。所以必須對進入的空氣進行仔細清洗，再注入電池內。你需要大量的輔助系統來去除二氧化碳和水分，這一點通常很難做到。但是新電池絕不需要外部任何空氣，從而避免了這一問題。團隊成員也提到，這種新電池本身也會受到過度充電的保護，在這種情況下，化學反應自身也會受到限制。過度充電時，反應轉化到一個不同的形式，以此阻礙進一步的反應。

Li說：“對于一般的電池，如果你過度充電，會造成不可逆的損傷或者爆炸，但是對于nanolithia電池，我們過度充電15天，達到它容量的100倍，也不會造成一點損害”。在循環實驗中，一個實驗室版本的新電池，通過120次充放電周期，顯示小于2%的容量損失，這表明這種電池有很長的使用壽命。由于就像傳統的固體鋰離子電池一樣可以安裝和操作，沒有任何輔助部件的鋰空氣電池，就可以很容易地適應現有的裝置或傳統的電池組設計的汽車、電子，甚至電網規模的電力存儲。

團隊成員說：“由于這些‘固態氧’陰極比傳統的鋰離子電池陰極更輕，對于給定的陰極重量，新的設計可以存儲兩倍的能量”。Li說：“隨著進一步的研發，該電池最終能夠再次實現容量的翻倍”。Li說：“所有的一切不需要任何昂貴的組件或者材料”，比如他們使用的電解質恰恰是最便宜的碳酸鹽。Li說：“氧化鈷成分重量不足nanolithia的50%，總之，價格低廉的新電池系統具有非常強的擴展性，并且相比鋰空氣電池來說更安全。”相信其應用前景將不可限量。

目前，該成果已發表于Nature Energy，Anion-redox nanolithia cathodes for Li-ion batteries

參考原文鏈接：New lithium-oxygen battery greatly improves energy efficiency, longevity

本文由編輯部張瑩提供素材，劉純編譯，牛蕾審核，點我加入材料人編輯部。

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