充电一次可开650公里 呼吸电池研究获重大突破

　　【中国环保在线 新能源设备】锂－空气电池，被业界誉为“电池”，因为其理论能量密度高，是锂离子电池的10倍，堪比汽油，用作电动汽车电池的话，成本和重量仅是目前所用汽车电池的1/5。但在它替代汽油之前，还有许多问题需要解决。　　　　
　　如果电动汽车想要与化石燃料汽车的行驶范围相匹配，它们的电池便需要储存更多的能量。这其中，锂—空气（锂—氧）电池是佳的候选能源，但这种电池一直存在严重的障碍。如今，英国剑桥大学的化学家研制出一种更持久的设计方案，为克服这些问题带来了希望，从而把这项技术朝实用化方向推进了一大步。
　　
　　美国宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学材料化学家YuryGogotsi表示，由剑桥的ClareGrey和她的同事设计的这款电池是一种小型实验室原型，距离汽车电池组还有很长的路要走，但他们对于材料的创新组合“解决了几个主要的锂—氧技术问题”。
　　
　　Gogotsi指出，发表在10月30日出版的《科学》杂志上的这项研究工作“看起来确实很有趣”，但他强调，“这仍仅仅是关于一个小电池的出色的科学—实验室工作”，而没有向市场技术靠拢。
　　
　　锂—空气电池也被称为呼吸电池，能够利用锂金属与空气中的氧发生反应所产生的能量。近20年来，锂—空气电池在被广泛研究。一般情况下，锂－空气电池使用锂金属作为负极材料，正极则为多孔的导电碳材料。放电时，从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应，产生一种叫作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。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，但在实际应用时却存在多个重大缺陷。
　　
　　发表在《科学》(Science)期刊上的研究论文显示，剑桥的ClareGrey团队攻克了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。
　　
　　论文作者、剑桥大学的刘韬博士说，该电池的反应产物过氧化锂及反应中间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，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，锂金属负极表面会以树枝状向正极生长，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，终使电池失效。　　
　　在新电池系统中，刘韬等人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，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。
　　
　　他们开发出的锂－空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克，约现有锂离子电池的8倍，可循环充放电超过2000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。
　　
　　Grey教授表示：“我们取得的成就使这项技术向前迈出了重要一步，预示着全新的研究领域。我们仍未全盘解决这一化学机制所固有的问题，但我们的成果确实揭示了前行的道路。”
　　
　　据报道，市面上在售的电动汽车中，性能强悍的特斯拉ModelS，大续航里程为502公里，约是传统汽车的一半。国内一些相对便宜的小型电动汽车，多数续航里程还只停留在300公里以下的水平。而如果把这项技术从实验室的演示品转变为商品，那么汽车只充一次电就能行驶约650公里。
　　
　　不过，研究人员认为，要真正造出锂-空气电池，至少还要10年，目前还有很多问题需要解决。如对金属电极的保护问题。此外，演示系统仍然只能以纯氧循环，空气中所含的二氧化碳、氮气和水分都对金属电极有害。刘韬说，虽然还有大量工作要做，但这些问题都有解决方法。
　　
　　美国帕洛阿尔托市博世研究与技术中心锂—空气电池专家JakeChristensen表示：“据我所知，这是这种特殊的材料组合次得到了研究。”但他指出要想商业化依然面临几个问题。Christensen特别强调，这种电池提供的电流密度约为汽车所需的1/50到1/20。
　　
　　“我们好的表现获得的是非常低的电流密度。”Grey承认，“因此我们距离一辆车所需的电池能量还很远。”她强调，如果这项技术能够投入实际应用，它先可能将用于充电电池，而非汽车电池。
　　
　　他们完成的这一工作为加快锂—空气电池的发展提供了许多新思路，比如使用多层次大孔石墨烯电极和电解液添加剂来改变电池反应产物、减少电池副反应、提高蓄电能力等。当电池的续航能力不再成为瓶颈，电动汽车的发展便将进入爆发式发展阶段。这一天已经不再遥远。