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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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新型鋰空電池 已有1人參與
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將鋰氧化合物的納米級(jí)顆粒嵌入在海綿狀的氧化鈷晶格中，能夠使電池保持穩(wěn)定。同時(shí)，該材料可以包裝在電池內(nèi)，類似于傳統(tǒng)的密封電池，但能提供更多的能量。 在電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備方面，由于鋰空氣電池在相同的質(zhì)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(diǎn)：它們把大量注入的能量作為熱量散失掉了，并且電池也會(huì)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(gè)開放的電池結(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的密封電池是截然相反的。 但該化學(xué)電池可以被使用在一個(gè)傳統(tǒng)的、全密封的電池內(nèi)，這一新的變化預(yù)示著類似的理論性能能夠運(yùn)用于鋰空氣電池中，同時(shí)克服所有的這些缺點(diǎn)。 稱為nanolithia的陰極電池是一個(gè)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(xué)院五人，以論文的形式發(fā)表在Nature Energy的雜志中。 Ju Li是麻省理工大學(xué)核科學(xué)與工程巴特爾能源聯(lián)盟教授，麻省理工學(xué)院5人來自阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和中國的北京大學(xué)。 Li解釋說，鋰空氣電池的缺點(diǎn)之一是在涉及充放電電池時(shí)，電壓不匹配。 電池的輸出電壓超過1.2伏，但是此時(shí)的電壓卻低于用于充電的電壓。很明顯，在每個(gè)充電周期內(nèi)，存在著功率損耗。他說：“在充電的時(shí)候，你把30%的電能作為熱能浪費(fèi)掉了，事實(shí)上，如果你充電的速度過快的話，電池有可能就燃燒掉�！� 傳統(tǒng)的鋰空氣電池在放電循環(huán)過程中從外部空氣中吸取氧氣來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，而在充電循環(huán)的反向反應(yīng)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(xué)反應(yīng)發(fā)生依舊，但此時(shí)的反應(yīng)卻不再使氧還原成氣態(tài)形式。 相反，氧存在于固體內(nèi)部并且直接在它的三個(gè)價(jià)態(tài)之間進(jìn)行氧化還原轉(zhuǎn)化，同時(shí)束縛在三種不同的固體化合物L(fēng)i2O、 Li2O2、LiO2中，并將它們混合在一個(gè)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(duì)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(gè)弊端：隨著充放電化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行，氧在氣體和固體之間轉(zhuǎn)化，此時(shí)材料需經(jīng)歷巨大的體積變化，從而擾亂結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電路徑，進(jìn)而嚴(yán)重限制其使用壽命。該新構(gòu)想的方法則是創(chuàng)造納米級(jí)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(fā)生于固體材料內(nèi)部。nanolithia顆粒通常會(huì)很不穩(wěn)定，因此研究人員將其嵌入在氧化鈷晶格內(nèi)，形成的海綿狀材料的nanolithia顆粒的孔隙直徑只有幾個(gè)納米。這種模型有利于顆粒的穩(wěn)定，同時(shí)也可以為它們的轉(zhuǎn)化充當(dāng)催化劑。 Li解釋說：“傳統(tǒng)的鋰空氣電池是真正的干電池，因?yàn)樗鼈兒茈y去除水分和二氧化碳”。所以必須對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行仔細(xì)清洗，再注入電池內(nèi)。你需要大量的輔助系統(tǒng)來去除二氧化碳和水分，這一點(diǎn)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(tuán)隊(duì)成員也提到，這種新電池本身也會(huì)受到過度充電的保護(hù)，在這種情況下，化學(xué)反應(yīng)自身也會(huì)受到限制。過度充電時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化到一個(gè)不同的形式，以此阻礙進(jìn)一步的反應(yīng)。 Li說：“對(duì)于一般的電池，如果你過度充電，會(huì)造成不可逆的損傷或者爆炸，但是對(duì)于nanolithia電池，我們過度充電15天，達(dá)到它容量的100倍，也不會(huì)造成一點(diǎn)損害”。在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)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(yīng)現(xiàn)有的裝置或傳統(tǒng)的電池組設(shè)計(jì)的汽車、電子，甚至電網(wǎng)規(guī)模的電力存儲(chǔ)。 團(tuán)隊(duì)成員說：“由于這些‘固態(tài)氧’陰極比傳統(tǒng)的鋰離子電池陰極更輕，對(duì)于給定的陰極重量，新的設(shè)計(jì)可以存儲(chǔ)兩倍的能量”。Li說：“隨著進(jìn)一步的研發(fā)，該電池最終能夠再次實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(jià)格低廉的新電池系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的擴(kuò)展性，并且相比鋰空氣電池來說更安全。”相信其應(yīng)用前景將不可限量。 目前，該成果已發(fā)表于Nature Energy，Anion-redox nanolithia cathodes for Li-ion batteries |
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