新电池可以克服锂气电池的关键缺点

的工程师麻省理工学院提出一种新的锂氧电池材料可以封装在电池中，与传统的密封电池非常相似，但提供更多的能量，以其重量。

锂空气电池被认为是非常有前途的技术，用于电动汽车和便携式电子设备，因为它们具有提供与重量成比例的高能量输出的潜力。但这种电池有一些相当严重的缺陷:它们将注入的大部分能量作为热量浪费掉，而且降解速度相对较快。它们还需要昂贵的额外组件来泵入和排出氧气，其配置为开放式电池，与传统的密封电池非常不同。

但一种新的电池化学成分可以用于传统的全密封电池，它有望在克服所有这些缺yabovip2021点的同时，实现与锂空气电池类似的理论性能。

新电池概念，称为纳米大道电池，在自然能量期刊中描述麻省理工学院核科学与工程巴特尔能源联盟教授李菊在一篇论文中写道;博士后朱;以及麻省理工学院、阿贡国家实验室和中国北京大学的五名研究员。

LI解释的锂气电池缺点之一，是充电和排出电池的电压之间的不匹配。电池的输出电压大于1.2伏，低于用于向它们充电的电压，这表示每个充电循环中产生的显着功率损耗。“你将30％的电能浪费在充电中的热量。......它实际上可以燃烧，如果你太快给它收费，“他说。

保持坚实

传统的锂空气电池从外部空气中吸收氧气，在放电循环中与电池中的锂发生化学反应，然后在充电循环的逆向反应中，这些氧气再次释放到大气中。

在新的变体中，在充电和放电期间，锂和氧气之间发生同样的电化学反应，但它们在没有让氧气恢复到气态形状的情况下进行。相反，氧气在其三种氧化还原态之间直接转化，同时以三种不同的固体化学化合物的形式结合，李₂o，李₂O._2，和lio.₂，它们以玻璃的形式混合在一起。这将电压损耗降低了五倍，从1.2伏到0.24伏，因此只有8％的电能变为热量。“这意味着汽车的速度更快，因为电池组的热量除去了安全问题，以及能效好处，”李说。

这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题：随着涉及充电和排出的化学反应转换气态和固体形式之间的氧气，材料经过巨大的体积变化，可能会破坏结构中的电传导路径，严重限制其寿命。

新配方的秘密在于制造纳米级(一米的十亿分之一)的微小粒子，这些粒子包含玻璃形式的锂和氧，并被紧紧地限制在钴氧化物的基质中。研究人员称这些粒子为纳米粒子。在这种形式下，LiO之间的转换₂，李₂O._2，和李₂o可以完全在固体材料内部进行，他说。

纳米晶颗粒通常非常不稳定，所以研究人员将它们嵌入钴氧化物基质中，钴氧化物基质是一种类似海绵状的材料，只有几纳米宽的孔。基质使粒子稳定，并作为它们转变的催化剂。

传统的锂空气电池，李解释说，是“真正的锂干氧电池，因为它们真的不能处理水分或二氧化碳，”所以这些必须小心地从输入的空气中擦洗，以提供电池。“你需要大型的辅助系统来清除二氧化碳和水，这很难做到。”但是这种不需要吸入任何外部空气的新电池，解决了这个问题。

没有收费过高

研究小组说，这种新型电池本身也可以防止过度充电，因为这种情况下的化学反应是自然自我限制的——当过度充电时，反应会转变为另一种形式，从而阻止进一步的活动。“对于一个普通的电池，如果你过度充电，它可能会导致不可逆转的结构损坏，甚至爆炸，”李说。但使用纳米锂电池，“我们已经将电池过度充电了15天，达到其容量的一百倍，但丝毫没有损坏。”

在循环试验中，新电池的实验室版本通过120个充电放电循环，并且表明这种电池可能具有长寿的寿命。因为可以像传统的固体锂离子电池一样安装和操作这种电池，因为没有锂 - 空气电池所需的任何辅助部件，它们可以很容易地适应现有的汽车，电子设备或传统的电池组设计，甚至甚至网格级电力存储。

由于这些“固体氧”阴极比传统的锂离子电池阴极轻得多，新设计的阴极在给定的重量下可以存储两倍的能量，该团队说。李说，随着设计的进一步改进，新电池的容量最终可能会再次翻番。

据李说，所有这一切都是在没有添加任何昂贵的组件或材料的情况下完成的。他说，他们在这种电池中用作液体电解质的碳酸盐是“最便宜的一种”电解质。氧化钴成分的重量不到纳米锂成分的50%。总的来说，新的电池系统比锂空气电池“非常可扩展，便宜，而且更安全”，李说。

该团队希望在大约一年内从实验室规模的概念验证转变为实际的原型。

“这是一个基础性的突破，可能会改变氧基电池的模式，”俄勒冈州立大学化学助理教授季秀雷(音)说，他没有参与这项工作。yabovip2021“在这个系统中，商用碳酸盐电解质与溶剂化的超氧化物航天飞机很好地工作，这是相当令人印象深刻的，可能与任何气体O的缺乏有关₂在这个密封系统中。整个循环整个阴极的所有活性质量都是坚固的，这不仅具有大的能量密度，而且呈现与电池制造基础设施的兼容性。“

研究团队包括麻省理工学院研究科学家Akihiro Kushima和宗友尹;北京大学陆琦;伊利诺伊州阿尔冈国家实验室的Khalil Amine和Jun Lu。该工作得到了国家科学基金会和美国能源部的支持。

出版: Zhi Zhu等，“锂离子电池用阴离子氧化还原纳米锂阴极”，《自然能源》，第1期，文章编号:16111 (2016);doi: 10.1038 / nenergy.2016.111