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新电池可以克服锂空气电池的主要缺点

在电池阴极的新概念中,由锂和氧化合物制成的纳米级颗粒(用红色和白色表示)嵌入氧化钴的海绵状晶格(黄色)中,使其保持稳定。

来自麻省理工学院的工程师建议,新型锂 - 氧电池材料可以封装在与传统密封电池非常相似的电池中,但它们的重量可提供更多能量。 / em

锂空气电池被认为是电动汽车和便携式电子设备的高度有前途的技术,因为它们可以按照其重量提供高能量输出。但是这种电池有一些非常严重的缺点:它们将大部分注入的能量作为热量浪费并且相对快速地降解。他们还需要昂贵的额外部件来抽取氧气,并采用与传统密封电池截然不同的开放式结构。

但是,一种新型的电池化学成分,可以用于传统的全密封电池,可以保证与锂空气电池相似的理论性能,同时克服所有这些缺点。

这种被称为纳米石墨阴极电池的新电池概念在MIT能源联盟核能科学与工程Battelle能源联盟教授Ju Li撰写的一篇论文“自然能量”中被描述;博士后朱志;还有麻省理工学院,阿贡国家实验室和中国北京大学的另外五人。

Li解释说,锂空气电池的缺点之一是电池充电和放电的电压不匹配。电池的输出电压比用于充电的电压低1.2伏以上,这意味着每个充电周期都会产生很大的功率损耗。 “你充电时会浪费30%的电能作为热量。 ...如果你充电速度太快,它实际上可能会燃烧,“他说。

保持稳定

传统的锂 - 空气电池在外部空气中吸取氧气以在放电循环期间与电池的锂发生化学反应,然后在充电循环中的逆向反应过程中该氧气再次释放到大气中。

在新的变体中,在充电和放电过程中,锂和氧之间发生了同样的电化学反应,但是它们不会使氧气恢复为气态。相反,氧气留在固体内部,并直接在三种氧化还原状态之间转化,同时以三种不同的固体化合物Li2O,Li2O2和LiO2的形式结合在一起,以玻璃的形式混合在一起。这将电压损失降低了五倍,从1.2伏到0.24伏,所以只有8%的电能转化为热量。 “这意味着汽车的充电速度会更快,因为从电池组中取出热量不仅仅是安全问题,还有能源效益的好处,”Li说。

这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题:由于充电和放电中涉及的化学反应将氧气转化为气体和固体形式,材料经历巨大的体积变化,这会破坏结构中的电传导路径,严重限制其寿命。

新配方的秘诀在于创造纳米尺度(十亿分之一米)的微小颗粒,其中含有玻璃形式的锂和氧,并严格限制在氧化钴基质中。研究人员将这些粒子称为纳米晶体。在这种形式中,LiO2,Li2O2和Li2O之间的转换完全可以在固体材料内部发生,他说。

纳米晶体颗粒通常会非常不稳定,因此研究人员将它们嵌入氧化钴基质中,这种类似海绵状的材料的孔隙只有几纳米。基质使颗粒稳定,并且也作为它们转化的催化剂。

Li解释说,传统的锂空气电池“实际上是锂干电池,因为它们实际上不能处理水分或二氧化碳,所以必须从供给电池的输入空气中仔细擦洗这些电池。 “你需要大的辅助系统去除二氧化碳和水,这很难做到。”但是这种从不需要吸入外部空气的新电池就可以避免这个问题。

没有过度收费

该团队说,这种新型电池本身也可以避免过度充电,因为这种情况下的化学反应自然是自我限制的 - 当过量充电时,反应会转变为阻止进一步活动的不同形式。 “使用典型电池时,如果过度充电,可能会造成不可逆转的结构损坏甚至爆炸,”李说。但是对于纳米石墨电池,“我们已经将电池充电了15天,达到其容量的100倍,但是根本没有任何损坏。”

在循环测试中,新电池的实验版本经历了120次充电 - 放电循环,并且显示出少于2%的容量损失,表明这样的电池可能具有长的使用寿命。由于这种电池可以像传统固体锂离子电池一样安装和操作,而不需要锂空气电池所需的任何辅助组件,所以它们可以容易地适用于现有装置或用于汽车,电子设备的常规电池组设计,甚至是电网规模的电力储存。

由于这些“固体氧”阴极比传统的锂离子电池阴极轻得多,该新设计可以将给定阴极重量的能量储存量增加一倍,该团队说。 Li说,随着设计的进一步完善,新电池可能再次翻倍。

据Li介绍,所有这些都是在不添加任何昂贵的部件或材料的情况下完成的。他说,这种电池中用作液体电解质的碳酸盐“是最便宜的”电解质。而氧化钴组分重量小于纳米晶体组分的50%。总体而言,新电池系统“比锂空气电池”可扩展性高,价格便宜,而且更安全“,Li说。

该团队希望在大约一年内从实验室规模的概念验证转向实用的原型。

“这是一个基础性的突破,这可能会改变氧基电池的范式,”俄勒冈州立大学化学助理教授Xiulei Ji说,他没有参与这项工作。 “在这个系统中,商业的碳酸盐基电解质与溶剂化的超氧化物梭很好地结合,这非常令人印象深刻,并且可能与这个密封系统中缺少任何气态O2有关。在整个循环过程中,阴极的所有活性质量都是固体,不仅具有较高的能量密度,而且与当前的电池制造基础设施兼容。“

研究小组包括麻省理工学院研究科学家Akihiro Kushima和Zongyou Yin;北京大学陆奇;以及伊利诺州阿贡国家实验室的Khalil Amine和Jun Lu。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

发布:Zhi Zhu等人,“用于锂离子电池的阴离子 - 氧化还原纳米石墨阴极”,Nature Energy 1,Article number:16111(2016); DOI:10.1038 / nenergy.2016.111

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

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