由麻省理工主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)日前公布了新研發(fā)的鋰氧電池，由于具備更輕的重量、使用固態(tài)氧元素并且自帶防止過(guò)度充電機(jī)制，其較鋰空氣電池具有明顯優(yōu)勢(shì)，有望在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域推廣，解決續(xù)航里程以及電池安全問(wèn)題。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)以及其他便攜電子設(shè)備領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，由于良好的能量重量比，鋰空氣電池(Lithium-air battery)被認(rèn)為是非常有前景的技術(shù)。但其實(shí)，鋰空氣電池本身存在著嚴(yán)重的缺陷，電量以熱能的形式流失，而且電池降解速度非?？?。由于使用開(kāi)路電池的配置，鋰空氣電池需要昂貴的輔助設(shè)施來(lái)吸入并排出氧氣，這與傳統(tǒng)的密閉電池大相徑庭。

不過(guò)，一種化學(xué)電池的新變體或許能夠解決這所有的問(wèn)題。它可以使用傳統(tǒng)方式，完全封閉，而且能夠提供像鋰空氣電池那樣的電池性能，而且完全克服了鋰空氣電池的缺點(diǎn)。這種新的電池理念被《自然能量》(Nature Energy)稱作“nanolithia cathode battery”(意譯：納米鋰氧陰極電池)。據(jù)介紹，新研究成果由麻省理工學(xué)院MIT核科學(xué)與工程學(xué)院教授李巨領(lǐng)銜，與MIT、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)等另外幾名成員共同研究的成果。

李巨表示，鋰空氣電池的一大缺點(diǎn)是電池充電與放電時(shí)電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時(shí)的電壓要低1.2伏還要多，這意味著在每一次完整充電過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生巨大的能量損失。李巨說(shuō)：“在充電時(shí)，約30%的電量以熱量的形式流失，如果你充電速度過(guò)快，它都可以自燃了。”

氧—保持固態(tài)

傳統(tǒng)的鋰空氣電池的工作原理是這樣的：在放電過(guò)程中，鋰空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的鋰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在充電過(guò)程中，則產(chǎn)生相反的化學(xué)反應(yīng)，氧被重新釋放到空氣中。在這種新的變體電池中，在充電與放電過(guò)程中，鋰元素與氧氣進(jìn)行同樣的電化學(xué)反應(yīng)，但整個(gè)過(guò)程中根本不需要氧元素的氣態(tài)變化。

相反，氧元素一直以固態(tài)形勢(shì)存在，并可在三種氧化還原狀態(tài)中直接切換，產(chǎn)生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過(guò)氧化鋰Li2O2以及超氧化鋰 LiO2，這三種化合物以玻璃形態(tài)混合在一起。這樣的話，電壓損耗情況可以改善5倍以上，從1.2伏減為0.24伏，所以，僅有8%的電能被轉(zhuǎn)換成了熱量。李巨表示：“這意味著汽車(chē)可以快速充電，因此電池組發(fā)燙的情況會(huì)解決，不再構(gòu)成安全隱患，而且電池的能源效率得到了保障。”

此外，新電池還解決了鋰空氣電池的另一大問(wèn)題。由于在充電與放電過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)使氧以氣態(tài)以及固態(tài)的形式存在，當(dāng)氧經(jīng)歷巨大的體積變化時(shí)，這會(huì)擾亂電池內(nèi)部的電傳導(dǎo)路徑，嚴(yán)重?fù)p害了電池的壽命。

據(jù)介紹，新型電池的奧秘在于創(chuàng)建一個(gè)極小的微粒，大約在納米級(jí)別，成玻璃狀的微?？赏瑫r(shí)包含鋰與氧，并緊緊被包圍在氧化鈷(cobalt oxide)的小矩陣?yán)?。研究人員將這些微粒稱作納米鋰氧(nanolithia)。李巨表示，在這種形態(tài)下，氧化鋰、過(guò)氧化鋰以及超氧化鋰的轉(zhuǎn)換可以完全以固態(tài)形式發(fā)生。

由于通常狀態(tài)下，納米鋰氧非常不穩(wěn)定，所以研究人員將它們放入了氧化鈷的矩陣之中。氧化鈷矩陣其實(shí)是一種類(lèi)似海綿狀的物質(zhì)，每隔幾納米就有一個(gè)氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩(wěn)定住納米鋰氧，另一方面，還可以充當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

李巨教授補(bǔ)充道，傳統(tǒng)的鋰空氣電池其實(shí)是鋰干氧電池(lithium-dry oxygen battery)，因?yàn)樗耆荒芴幚沓睗褚约岸趸肌Ｋ凿嚳諝怆姵厥褂玫妮斎胄涂諝庑枰J(rèn)真處理。“你需要大型輔助系統(tǒng)來(lái)除濕以及排除二氧化碳，這非常困難。”但由于新電池完全不需要吸入以及排除氣體，這個(gè)困擾鋰空氣電池的問(wèn)題迎刃而解。

不會(huì)過(guò)度充電

研究團(tuán)隊(duì)表示，新型電池自身存在一種過(guò)度充電的保護(hù)機(jī)制，在過(guò)度充電情況下，化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)自我約束。一旦過(guò)度充電情況發(fā)生，化學(xué)物質(zhì)馬上轉(zhuǎn)變成另外一種形態(tài)，從而化學(xué)反應(yīng)中止。李巨教授說(shuō)：“傳統(tǒng)電池在過(guò)度充電的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)損害，甚至爆炸。但是，對(duì)于納米鋰氧電池，我們已經(jīng)連續(xù)過(guò)度充電15天了，已經(jīng)是它電池容量的100倍以上，但電池一點(diǎn)損害都沒(méi)有。”

在循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)中，新型電池的實(shí)驗(yàn)室版本完成了120遍充電—放電的循環(huán)測(cè)試，整個(gè)過(guò)程下來(lái)，僅有2%的能量損失，這意味著這種電池或?qū)碛谐L(zhǎng)壽命。此外，這種電池使用非常方便，它可以像傳統(tǒng)的固態(tài)鋰離子那樣使用，而且不需要鋰空氣電池的各種輔助設(shè)備，可以非?？旖莘奖愕膽?yīng)用于汽車(chē)、電子設(shè)備甚至是電網(wǎng)能量?jī)?chǔ)備領(lǐng)域。

另外，由于這些“固態(tài)氧”陰極比傳統(tǒng)的鋰離子電池陰極重量還要輕不少，因此，在同樣的陰極重量之下，新型電池可以多儲(chǔ)備一倍的能量。研究團(tuán)隊(duì)表示，如果新型電池在設(shè)計(jì)上進(jìn)一步精致，最終的能量存儲(chǔ)能力可以增加兩倍以上。

李巨教授表示，整個(gè)過(guò)程不添加任何昂貴的物質(zhì)或者材料。研究團(tuán)隊(duì)表示，新電池使用的作為液體電解質(zhì)的碳酸鹽是最便宜的一種。此外，氧化鈷的重量還不到納米鋰氧重量的一半。整體而言，這種新型電池與鋰空氣電池相比，應(yīng)用更為廣泛、價(jià)格更為低廉、使用更為安全。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)希望在一年內(nèi)將實(shí)驗(yàn)室研究成果應(yīng)用到實(shí)際測(cè)試之中。俄勒岡州立大學(xué)助理教授Ji Xiulei表示：“這是一項(xiàng)重大突破，可能會(huì)推動(dòng)氧基電池技術(shù)的重大發(fā)展。在這個(gè)系統(tǒng)之中，商用的碳酸鹽基電解質(zhì)與過(guò)氧化物溶劑的工作效果非常好。而且，在這個(gè)封閉空間里，不會(huì)產(chǎn)生任何氣態(tài)氧，這非常令人印象深刻。在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，陰極的所有活躍物質(zhì)都是固態(tài)的，這不僅意味著巨大的能量密度，而且與現(xiàn)狀電池聲稱設(shè)備有著巨大的兼容性。”

其他研究團(tuán)體成員如下：MIT研究科學(xué)家Akihiro Kushima、Zongyou Yin，北京大學(xué)Lu Qi，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine、Jun Lu。整個(gè)研究是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)以及美國(guó)能源部支持的。