鋰空氣電池突破技術(shù)瓶頸，或?qū)⒊蔀橄乱淮姵丶夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)

上周四，英國劍橋大學(xué)研究人員公布的一份文件顯示，他們已經(jīng)開發(fā)出了一種鋰空氣電池，成功解決這種技術(shù)中的部分實(shí)際問題——尤其是化學(xué)上的不穩(wěn)定問題。在此之前，由于這種化學(xué)上的不穩(wěn)定，鋰空氣電池會(huì)顯示出性能迅速衰退的現(xiàn)象。他們所研制出的鋰空氣電池具有較高的能量密度，并且能夠循環(huán)充電2000次以上。該電池在理論上的能源使用效率超過90％。

科學(xué)家們非常希望鋰空氣電池有一天能取代我們目前使用的鋰離子電池?！颁囯x子充電電池已經(jīng)被使用了近25年，”劍橋大學(xué)化學(xué)系的Clare P. Grey教授在電話中說，“25年前，結(jié)構(gòu)更為緊湊的鋰離子電池為便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)鋪平了道路，使我們隨身攜帶的電子設(shè)備變得更為輕巧便攜。鋰離子電池技術(shù)在當(dāng)時(shí)更適合消費(fèi)者，而如今，是時(shí)候讓鋰空氣電池來替代它了。”

沒有哪位化學(xué)家或工程師會(huì)說，鋰離子電池是完美的。隨著電動(dòng)汽車的越來越普及，研究人員也開始將精力集中在研究鋰空氣電池上。因?yàn)殇嚳諝怆姵乇蠕囯x子電池輕得多，更輕的汽車意味著更長(zhǎng)的續(xù)航里程?？梢钥隙ǖ氖?，鋰空氣電池在理想情況下具有更高的能量密度。理論上說，只有這種電池能讓電動(dòng)汽車在不必?cái)y帶巨大而笨重的電池組的情況下，擁有可媲美汽油車及柴油車的續(xù)航里程。 

仍需10年才能投入商用

在一份新聞稿中，劍橋大學(xué)的科學(xué)家們表示，雖然他們的研究已經(jīng)成功克服了鋰空氣電池技術(shù)中最大的障礙，但是將鋰空氣電池用于商業(yè)用途至少還需要10年的時(shí)間。

鋰空氣電池的基本化學(xué)原理十分簡(jiǎn)單。放電時(shí)，從負(fù)極出發(fā)的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生一種叫過氧化鋰的固體產(chǎn)物，填充于碳電極的孔隙中。充電時(shí)，化學(xué)過程逆轉(zhuǎn)，過氧化鋰被分解釋放氧氣。

鋰空氣電池的原型其實(shí)在很早之前就已經(jīng)被成功制造了出來，該電池的蓄電能力理論上是目前市場(chǎng)上鋰離子電池的10倍，而由于鋰金屬在化學(xué)上具有極其不穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在多個(gè)重大缺陷。如何可靠地令上述反應(yīng)在許多周期內(nèi)反復(fù)發(fā)生，則是該技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。

電池的反應(yīng)產(chǎn)物過氧化鋰及反應(yīng)中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應(yīng)活性，會(huì)分解電解液，因此幾個(gè)充放電循環(huán)后電池電量就會(huì)急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導(dǎo)電性能差，充電時(shí)很難分解，需要很高的充電電壓，這還會(huì)導(dǎo)致分解電解液及碳電極等副作用。

放電時(shí)，過氧化鋰會(huì)堵塞多孔碳電極，導(dǎo)致放電提前結(jié)束；充電時(shí)，鋰金屬負(fù)極表面會(huì)呈樹枝狀向正極生長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮?dú)?、二氧化碳都?huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)極材料消耗，最終使電池失效。

化學(xué)穩(wěn)定性得到提升

劍橋大學(xué)的研究人員改用多層次的大孔石墨烯作為正極材料，利用水和碘化鋰作為電解液添加劑，最終產(chǎn)生和分解的是氫氧化鋰，而不是此前電池中的過氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩(wěn)定，大大降低了電池中的副反應(yīng)，提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外，似乎還起到了保護(hù)鋰金屬負(fù)極的作用，使電池對(duì)于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會(huì)直接使電池失效，完全無法充放電。由于石墨烯氧化物具有多孔性，研究人員估計(jì)這種電池可循環(huán)超過2000次。

研究人員在新聞發(fā)布會(huì)上表示，他們將鋰空氣電池中的電壓間隙降低到了0.2V，成功提高了電池性能和效率。他們所開發(fā)出的鋰空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時(shí)/千克，是現(xiàn)有鋰離子電池的約8倍，可循環(huán)充放電上千次，首次循環(huán)充放電效率高達(dá)93%，即充入電池中93%的能量在放電時(shí)都能被使用。

仍有技術(shù)難關(guān)需攻克

但當(dāng)前鋰空氣電池仍然存在一些問題。電壓間隙的減小以及石墨烯氧化物電極的大容量導(dǎo)致其只能容納較小倍率的充放電，位于電池負(fù)極的金屬鋰有時(shí)仍會(huì)形成影響電池性能的樹突。而且，正如我們?cè)谇拔闹兴岬降?，空氣里不僅僅有氧氣，在空氣中的其他的化合物也可能導(dǎo)致鋰空氣電池不穩(wěn)定。

而這些問題的尚未解決，也意味著鋰空氣電池目前還是不能真正的投入商用。研發(fā)新的電池技術(shù)是很容易的，但是要將其真正投入使用還是需要攻克許多技術(shù)上的難關(guān)。研究人員表示他們目前正與多家公司合作，力求盡快推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。

Via arstechnica

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