锂空气电池论文的研究进展

电池靠”呼吸”氧气来充放电，听着都新鲜。2月19日，从中科院青能所获悉，该所团队在”锂空气电池”研究方面取得突破，通过对催化剂的研究 ，大大提高了锂跟空气中氧气结合和分解的效率，从而提高充放电效率，为其尽快实现商业化应用奠定基础，并有望成为未来电动汽车的理想电源。一次充电有望跑800公里”对锂空气电池的研究应用前景是非常广阔的，”2月19日，中科院青能所仿生能源与储能系统团队研究员崔光磊向作者介绍了他们的团队对于锂空气电池研究取得的新进展。锂电池大家都很熟悉，那何为”锂空气电池”?据了解，锂空气电池是一种新型的金属空气电池，崔光磊说，锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg，高出现有电池体系1到2个数量级，也就是说单位质量的电池放出的电量是其他电池的数十乃至上百倍。据了解，未来电动汽车对电源能量密度的要求为700Wh/kg，锂空气电池能完全满足这一要求，它一次充电有望能行驶800公里。应用前景广阔，但是目前该项研究还没有用到实际运用当中，”这跟造价各方面都有很大的关系，因为要达到良好的效果目前最好的催化材料就是金、铂等，这显然成本太高了。”中科院青能所仿生能源与储能系统团队在锂空气电池电极材料的研究中取得突破性进展，他们研发出的新型电极材料可以很好地提高锂空电池在深度放电时的循环能力，为这种极具吸引力的电源体系尽快实现商业化应用奠定了基础。电池靠”呼吸”氧气充放电我们都知道，电池都有正负极，那锂空气电池的正负极是什么呢?崔光磊说，锂空气电池的正负极就在其名称中，金属锂是它的负极，而正极就是空气中的氧气。”锂空气电池的工作原理十分简单，放电过程氧分子与锂离子结合形成过氧化锂;而在随后的充电过程中，过氧化锂进行可逆分解，产生氧气。”这个过程像极了生物的”呼吸”过程：吸入氧气，氧气跟有机物化和成水和二氧化碳，释放出能量，提供生物生命能量;而水和二氧化碳通过植物的光合作用生产储存能量的有机物，释放出氧气。崔光磊说，氧作为锂空气电池的正极好处太多了，因为氧在空气中广泛分布容易获得，大大降低了电池的造价，并且对环境也没有污染，这种电池的能量密度还很高，”这种技术投入商业化应用，那么未来的电动汽车将具备能与传统的燃油汽车相媲美的续航能力。””多面手”催化剂能吞能吐那电池的”呼吸”是怎样完成的呢?这就不得不提到该团队的研究核心————催化剂。在该团队研究的锂空气电池示意图中作者看到，这种电池分为三层，锂、电解质、催化剂。氧气就是在催化剂层进入电池跟锂离子反应的，”电解质的作用就是让锂离子能顺利通过但是又不至于造成正负极的短路。”而能让锂和氧气”联姻”的关键，则是催化剂层。据介绍，目前锂空气电池存在充放电能量转化效率低、深度放电循环寿命短等两个核心问题，该团队针对这个问题出发寻找制约两个问题的关键：催化剂材料。”我们研究发现，过渡金属的氮化物的特性非常适合。”这也成了研究的突破口，该团队通过将钴元素引入氮化物材料，设计合成了具有双效催化性能的钴钼氮三元材料，”说它是双效催化，也就是说类似于‘多面手’，它既可以催化放电，也可以催化充电，特性非常明显。”崔光磊说，他们将这种催化剂设计成为纳米结构，增加催化反应的面积，形成高性能锂空气电池阴极，成功地降低了电池的充放电极化，提高了能量转化效率，大大提高了锂空气电池在深度放电时的循环寿命。一系列研究将锂空气电池的循环寿命提高 70%。有望助力替代汽车燃油随着化石类燃料价格的飞涨，通过高效的电源代替石油类产品，从而为机动车辆提供动力支持，已经成为现代社会发展的迫切要求。锂离子电池一直被视为电动车最佳候选者。然而，基于锂离子电池电动汽车的续航能力仍然不能满足人们的需求，这是因为与传统的汽车相比，锂离子电池的能量密度仍然小于汽油燃烧的能量密度。而锂空气电池，作为锂离子电池的理想替代者，蓄电能力比性能最好的锂离子电池仍然高出10倍。”我们这个研究已经持续了三年多时间，难度最大的还是寻找这种材料。”崔光磊说，目前的结果也是他们多年奋斗的结果，意义重大。该项研究得到中科院、国家自然科学基金委、山东省杰青基金和青岛市太阳能储能技术重点实验室等攻关项目的支持，现已取得多项重要研究成果。■链接锂离子电池与锂空气电池锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等，它是以含锂化合物为正极，碳素材料为负极，比其它汽车电池的密度更高、电量更充足，但也更贵，受制于电池容量，充电后的行驶距离仍不够远。普遍认为，要实现电动汽车的普及，能量密度需达到目前的约6～7倍。于是，理论上能量密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。

使能量密度达到现有任何电池的三倍，研究显示金属催化物在提高电池效率上起到重要作用。该校机械工程和材料科学与工程副教授YangShao-Horn表示，许多研究团队如今正致力于锂-空气电池的研究，但目前还缺乏对何种电极材料能够促进电池内部电化学反应发生的理解。Shao-Horn和其团队成员在4月1日出版的《电化学与固态快报》上报道了其研究成果，在锂-空气电池中使用金或铂金电极作为催化剂具有比单一碳电极高得多的反应活性和效率。此外，这项研究也为进一步研究寻找更佳的电极材料，如金和铂金或其他金属的合金材料或金属氧化物材料以及减少使用昂贵材料奠定基础。论文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究团队开发了一种分析电池中不同催化剂活性的方法，现在可以基于这项研究来试验多种可能的材料，以确定控制催化剂活性的物理特性，最终能够预测催化剂的反应活动。锂-空气电池原理与锂离子电池类似，而后者目前是便携式电子产品使用的主要电源，而且在电动汽车电源的竞争中也占据了领先地位。但由于锂-空气电池使用了碳基空气电极和空气流替代锂离子电池较重的传统部件，因此电池质量更轻，这也使得包括IBM和通用汽车等大企业纷纷投身于锂-空气电池技术的开发当中。但锂-空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其电力水平，可用在电动汽车或电子产品中。研究人员还需要详细研究充放电过程的化学问题，如产生了那些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。Shao-Horn坦承，目前这方面的研究还处于初级阶段，部分企业将锂-空气电池研究视之为10年期的研发项目，但这是一个非常有前景的领域，如果能够克服许多科学和工程挑战，真正实现能量密度达到目前锂离子电池的两到三倍，将能够首先应用在便携式电子产品如笔记本电脑和手机上，降低成本后更可作为电动汽车电源。该项研究受到美国能源部的资助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美国国家科学基金会也给予了支持。根据《日刊工业新闻》报道，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业正式参加美国IBMAlmaden Reseach Center正在进行的锂空气电池研究项目。按照该项目研究分工，旭化成将利用其掌握的先进膜技术，负责开发重要的有关膜部件；Central硝子负责开发新型电解液和高性能添加剂。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。