NIMS和SoftBank發現，高能量密度鋰空氣電池的循環壽命主要受電解液體積與電極面積容量之比的影響。研究小組開發了一種技術來量化電池電化學反應中產生的副反應產物和氧氣。利用這項技術，研究小組能夠精確地評估反應物和產物之間的整體平衡，從而得出這一發現。這些結果有助于實用鋰空氣電池的研發。

鋰空氣電池是一種金屬空氣電化學電池，陽極（負極）采用了金屬鋰，而陰極（正極）材料，則是空氣中的氧，放電過程中，負極的金屬鋰被氧化，正極的氧氣被還原，從而在外電路中產生電流。原先在1970年代提出鋰空氣電池可能用作電動汽車的電源，由于材料技術的進步和增長的對于環境安全和對于替代石油的能源的需求，在2000年代末鋰空氣電池重新激發了科學興趣。

鋰空氣電池具有重量輕、能量容量大、理論能量密度是目前鋰離子電池能量密度的數倍等優點，有發展成為終極可充電池的潛力。由于這些潛在的優勢，他們預計將適用于廣泛的技術，如無人機，電動汽車和家庭電力存儲系統。

盡管LAB由于其極高的理論能量密度而吸引了很多研究，但在完全過渡之前，仍然需要克服各種技術限制。眾所周知，LAB的性能主要由發生在陰極表面的電化學反應決定。由于其比表面積和孔隙率高，重量輕，制造成本低，人們對各種碳及其在LAB中用作陰極材料的廣泛興趣引起了人們的興趣。

NIMS軟銀先進技術開發中心成立于2018年，一直在開展鋰空氣電池研究，以實現鋰空氣電池在各種技術中的實際應用，包括手機基站、物聯網和HAPS（高空平臺站）。為此，延長電池的循環壽命尤為重要。目前對鋰空氣電池循環壽命的評價主要集中在對單個電池組件（如電極材料）的評價上，而對實際制造功能性高能量密度鋰空氣電池并評價其循環壽命的研究較少。此外，只有一些方法可用于定量測量電池電化學反應中涉及的物質（例如，用作陰極活性材料的氧和氣體副產物）。由于這些局限性，反應物和產物之間的整體平衡無法測量，因此很難確定影響電池循環壽命的主要因素，并減緩了實用鋰空氣電池的研發。

該研究小組最近開發了一種技術，能夠量化電化學反應中使用的氧氣以及充放電循環中產生的氣體和揮發性物質。研究小組隨后利用這項技術精確分析了NIMS軟銀先進技術開發中心開發的高能量密度鋰空氣電池中發生的復雜電化學反應。

因此，研究小組首次發現鋰空氣電池的循環壽命主要受電解液體積與電極面積容量之比的影響。這意味著，在保持電解液體積不變的同時，通過降低電極的面積容量，可以延長電池的循環壽命。然而，降低電極面積容量也會導致電池的能量密度降低。因此，在設計電池和評價電池材料的過程中，開發實用的鋰空氣電池需要優化配比參數。

鋰-氧二室測試電池和析出氣的表征工具。

在未來的研究中，我們打算開發減少電池中電化學反應產生的副產品數量的方法，從而加速NIMS軟銀先進技術開發中心將鋰空氣電池投入實際使用的努力。

這項研究于2020年12月2日發表在在線期刊RSCAdvances上。

關于鋰空氣電池的其他研究

在《應用催化B：環境》發表的一項研究中，來自韓國和泰國的研究小組描述了他們如何將硫化鎳鈷納米薄片涂覆到摻雜有硫的石墨烯陰極上。結果：電極既具有改善的導電性又具有催化活性。

“這是一種非常有趣的設計方法，”英國能源技術研究機構EnergyLancaster的負責人HarryHoster說。

電池通常通過氧化還原反應產生電能。對于鋰空氣電池，來自陽極的鋰被氧化，而氧分子在陰極被還原。所得產物為過氧化鋰（Li2O2）。

據說陰極是魔術發生的地方。由于氧氣可以從空氣中連續供應，而不是以有限的量存儲在電池中，因此鋰空氣電池在理論上可以提供其鋰離子表親的能量密度的10倍。而且，積聚在石墨陰極上的過氧化鋰越多，電池的充電容量就越高。

Hoster說，用硫修飾碳陰極可以使過氧化鋰更容易粘附在陰極上。因為硫原子提供了局部的膠點，是粘附物體的固定點。

韓國大邱慶北科技學院的物理化學家SangarajuShanmugam也是該論文的合著者之一，他說，硫還為電池提供了更多好處。因為硫原子的大小比碳原子大得多，所以摻雜陰極的硫會擴展多孔碳晶格結構，從而增加其表面積。“當發生這種情況時，電子可以在石墨烯中更好地運動，因此可以改善導電性。”Shanmugam說。

用硫化鎳鈷納米薄片涂覆陰極表面通過增加催化活性提供了額外的促進作用。Shanmugam解釋說：“硫與硫化鈷鎳中的金屬部位發生相互作用，并且石墨烯表面與納米薄片之間存在很強的協同作用。”

薄片還在陰極表面和所得的過氧化鋰放電產物之間形成保護層，該產物具有高度腐蝕性。結果是電池的可循環性大大提高了-剛超過1,700小時或兩個月以上，Shanmugam說這是其發明的“最強項”。比放電容量也是“超高”，接近每克14,200毫安小時（mAh/g）。該新技術正在韓國申請專利。

蘭開斯特的主持人說：“他們提出的材料非常非常有趣……而且看來他們是第一個將其引入社區的人。”但是他對結果的樂觀程度持謹慎態度。

他說，該系統需要進行更強大的測試。為了正確地測量電催化活性，研究人員應該以較高的速度（而不是較低的速度）進行循環伏安圖（一種測試，其中施加外部電壓并進行變化以查看電池電流如何相應變化）。此外，他們進行的放電實驗太淺（以1,000mAH/g的比容量停止）不能被認為是適當的壓力測試，因為從長遠來看，電池不會產生過多的副產品，而這些副產品會導致電池在充電時褪色。

他還強調了電池的低充電效率，這是您獲得的能量與充電時所消耗能量的比較。由于發熱或在電極上發生有害的副反應，可能導致能量損失。大約為65％，比我們預期的鋰離子電池低15％至25％。這是繼續困擾鋰空氣電池使用的眾多問題之一。其他包括處理形成的化學侵蝕性過氧化鋰副產物，該副產物需要高充電電壓才能去除，會分解電解質，進而限制電池的循環壽命。

純鋰陽極也帶來問題。高度反應性的鋰當暴露于水和其他元素時會燃燒。然后是空氣本身的問題。雖然在實驗室中為電池供氧可以正常工作，但對于在道路上行駛的電動汽車來說卻是不可行的。使用空氣是目標，但您首先必須去除對電池有害的雜質，例如二氧化碳和水蒸氣。

這些發展挑戰已削弱了近年來鋰空氣電池的熱情，IBM和美國資助的儲能研究聯合中心等公司放棄了對其他下一代電池類型的研究。甚至在向電池研究投入了6500萬英鎊的英國法拉第研究所（FaradayInstitution）的最后一輪融資中，也決定投資于鋰硫電池而非鋰空氣電池，因為他們認為前者“也有風險，但更現實”。

他說：“這是一個令人震驚的現實……鋰氧電池有點像核聚變在大型技術中的作用。有很多潛在的勝利，但是有很多失敗的結局。”

但是，由于鋰空氣電池的能量密度可能是傳統鋰離子電池的能量密度的10倍，因此仍有很大的差距。但是必須懷抱期望。