标签: 锂空气电池

　　上周四，英国剑桥大学研究人员公布的一份文件显示，他们已经开发出了一种锂空气电池，成功解决这种技术中的部分实际问题——尤其是化学上的不稳定问题。在此之前，由于这种化学上的不稳定，锂空气电池会显示出性能迅速衰退的现象。他们所研制出的锂空气电池具有较高的能量密度，并且能够循环充电2000次以上。该电池在理论上的能源使用效率超过90%。 　　没有哪位化学家或工程师会说，锂离子电池是完美的。随着电动汽车的越来越普及，研究人员也开始将精力集中在研究锂空气电池上。因为锂空气电池比锂离子电池轻得多，更轻的汽车意味着更长的续航里程。可以肯定的是，锂空气电池在理想情况下具有更高的能量密度。理论上说，只有这种电池能让电动汽车在不必携带巨大而笨重的电池组的情况下，拥有可媲美汽油车及柴油车的续航里程。 仍需10年才能投入商用 　　在一份新闻稿中，剑桥大学的科学家们表示，虽然他们的研究已经成功克服了锂空气电池技术中最大的障碍，但是将锂空气电池用于商业用途至少还需要10年的时间。 　　锂空气电池的基本化学原理十分简单。放电时，从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应，产生一种叫过氧化锂的固体产物，填充于碳电极的孔隙中。充电时，化学过程逆转，过氧化锂被分解释放氧气。 　　锂空气电池的原型其实在很早之前就已经被成功制造了出来，该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍，而由于锂金属在化学上具有极其不稳定性，实际应用时存在多个重大缺陷。如何可靠地令上述反应在许多周期内反复发生，则是该技术面临的最大挑战。 　　电池的反应产物过氧化锂及反应中间的产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短;由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，这还会导致分解电解液及碳电极等副作用。 　　放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束;充电时，锂金属负极表面会呈树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患;锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。 化学稳定性得到提升 　　剑桥大学的研究人员改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料，利用水和碘化锂作为电解液添加剂，最终产生和分解的是氢氧化锂，而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定，大大降低了电池中的副反应，提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外，似乎还起到了保护锂金属负极的作用，使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它，同量的水会直接使电池失效，完全无法充放电。由于石墨烯氧化物具有多孔性，研究人员估计这种电池可循环超过2000次。 　　研究人员在新闻发布会上表示，他们将锂空气电池中的电压间隙降低到了0.2V，成功提高了电池性能和效率。他们所开发出的锂空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克，是现有锂离子电池的约8倍，可循环充放电上千次，首次循环充放电效率高达93%，即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。 仍有技术难关需攻克 　　但当前锂空气电池仍然存在一些问题。电压间隙的减小以及石墨烯氧化物电极的大容量导致其只能容纳较小倍率的充放电，位于电池负极的金属锂有时仍会形成影响电池性能的树突。而且，正如我们在前文中所提到的，空气里不仅仅有氧气，在空气中的其他的化合物也可能导致锂空气电池不稳定。 　　而这些问题的尚未解决，也意味着锂空气电池目前还是不能真正的投入商用。研发新的电池技术是很容易的，但是要将其真正投入使用还是需要攻克许多技术上的难关。研究人员表示他们目前正与多家公司合作，力求尽快推进这项技术。 致尚微电子 微信公众号：cnzasem

锂空气电池相比锂离子电池的优势是减轻重量和复杂度，其潜在蓄电量可达到最好锂离子电 池的十倍。但一个重大缺陷是它在多次充放电后性能下降电池不稳定。现在，研究人员报告他们研制出第一种稳定可靠的锂空气电池，虽然离实用性还相当遥远，因 为它使用的材料是黄金，但未来锂空气电池电动汽车的行驶距离将能接近今天的汽油汽车。 研究人员用惰性黄金纳米粒子替代常用的基于碳的阴极材料，用导电溶剂二**亚砜（DMSO）替代聚碳酸酯作为电解液。结果显示，新的电池在100次充电放电周期后，性能仍然能达到原来的95%。  

电动车不能普及的一个重要原因是电池续航能力。来自IBM的新研究----锂空气电池可能会在将来打消你这方面的顾虑。据称使用这种电池的电动车一次充电后可以行驶 500 英里（大约 800 公里）呢。   它的原理是在行驶过程中将空气中的氧分子与电池中的锂离子及电子进行反应，从而产生电 能。每次充电的时候，氧气就会被排出电池之外，仿佛就好像是真的在“呼吸”一般。除了能提供比现在广泛使用在电动车上的锂离子电池更强的续航力之外，另外 非常重要的一点是这种电池在重量上也减轻了许多。虽然目前锂空气电池仍在实验阶段，但 IBM 已经在与化工巨子 Asahi Kasei 及 Central Glass 展开合作，希望能在 2030 年前将其投入市场。以下是一段锂空气电池的介绍视频。  

锂-空气电池有更高的能量密度，高于锂离子电池，因为有更轻的阴极，它们的主要“燃料”是氧气，容易从大气中获得。     电池500技术是一个开放系统，采用普通空气作为化学试剂，充电时，会把氧气释放到环境中。   IBM宣布，两个行业领导，就是旭化成（Asahi Kasei）和中央玻璃公司（Central Glass），会参加它的电池500项目（Battery 500 Project）小组，合作进行意义深远的研究，有望加快转变，从汽油转向电力，作为车辆的主要动力源。 2009年，IBM研究中心（IBM Research）开创了可持续发展的交通项目，开发锂-空气电池技术，可以驱动家用型电动汽车，一次充电约行驶500英里（800公里）。 因为参与电池500项目，旭化成和中央玻璃公司带来了几十年的材料创新，这些创新都属于汽车行业，现在带给了这个小组。他们会扩大项目的范围，尽管科学和工程上的挑战非常大，实际实施非常难，但是，探索一些化学技术，同时会增加成功的机会。 旭化成公司是日本领先的化学品制造商，也是全球领先的供应商，供应膜分离器，用于锂离子电池，它会凭借经验，运用膜创新技术，创造一种重要成分，用于锂-空气电池。 中央玻璃公司，是全球领先的锂离子电池电解液生产商，会在这一领域使用化学专业知识，创造新型电解质和高性能的添加剂，进行专门设计，以改进锂-空气电池。 “这些新的合作伙伴分享我们设想的电动汽车，是重要的组成部分，会建设一个更干净，更美好的世界，对石油的依赖程度要低得多，”温弗里德•威尔克 （Winfried Wilcke）博士说，他是IBM公司的首席研究员，发起了电池500项目。“他们有广泛的经验和知识，可以大胆创新，在电动汽车电池技术上，可以帮助我 们，把这项研究从实验室转移到公路上。” 大部分电动车只能行驶大约100英里，就需要充电，因为是使用今天的锂离子电池。这是一个重大障碍，阻碍使用电动汽车，除非有新的电池技术开发出来，既实惠，轻巧，体积小，又可以驱动典型的家庭用车，一次充电就可行驶数百英里或更多里程。 轿车采用今天的锂离子电池，要匹敌汽油箱提供的行驶里程，汽车制造商就需要非常大的电池，重量会超过汽车，而且占用太多空间。锂-空气电池有更高的 能量密度，高于锂离子电池，这是因为有更轻的阴极，而且事实上，它们的主要“燃料”是氧气，容易从大气中获得。为了推广电动汽车，就需要更大的能量密度， 要十倍于传统的锂离子电池，而这一项目的这些新的合作伙伴，有助于发展锂空气技术，实现这一目标。 “新材料的开发是非常重要的，可以确保锂-空气电池技术的可行性，”森达也（Tatsuya Mori）说，他是中央玻璃公司董事总经理。“因为长期联合IBM，而且领先开发高性能电池电解质，我们很高兴分享彼此的化学和科学知识，这个领域就和电动汽车一样令人兴奋。” “我们非常专注于克服环境的挑战和限制，采用不同的技术，创造更加美好的未来。这个联盟使我们可以探索新的途径，改进可充电电池的性能，这是常规技术不能实现的。”郎大田（Tetsuro Ohta）说，他是旭化成公司先进电池材料开发中心主任。