隨著化石類燃料價格的飛漲，通過高效的電源代替石油類產(chǎn)品，從而為機(jī)動車輛供應(yīng)動力支持，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會發(fā)展的迫切要求。鋰離子電池一直被視為電動汽車最佳候選者。然而，基于鋰離子電池電動汽車的續(xù)航能力仍然不能滿足人們的需求，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的汽車相比，鋰離子電池的能量密度仍然小于汽油燃燒的能量密度。而鋰空氣電池，作為鋰離子電池的理想替代者，蓄電能力比性能最好的鋰離子電池仍然高出10倍。

電池靠“呼吸”氧氣來充放電，聽著都新鮮。二月十九日，記者從中科院青能所獲悉，該所團(tuán)隊在“鋰空氣電池”研究方面取得突破，通過對催化劑的研究，大大提高了鋰跟空氣中氧氣結(jié)合和分解的效率，從而提高充放電效率，為其盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并有望成為未來電動汽車的理想電源。

一次充電有望跑800公里

“對鋰空氣電池的研究應(yīng)用前景是非常廣闊的，”二月十九日，中科院青能所仿生能源與儲能系統(tǒng)團(tuán)隊研究員崔光磊向記者介紹了他們的團(tuán)隊關(guān)于鋰空氣電池研究取得的新進(jìn)展。

鋰離子電池大家都很熟悉，那何為“鋰空氣電池”？據(jù)了解，鋰空氣電池是一種新型的金屬空氣電池，崔光磊說，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，高出現(xiàn)有電池體系1到2個數(shù)量級，也就是說單位質(zhì)量的電池放出的電量是其他電池的數(shù)十乃至上百倍。

據(jù)了解，未來電動汽車對電源能量密度的要求為700Wh/kg，鋰空氣電池能完全滿足這一要求，它一次充電有望能行駛800公里。

應(yīng)用前景廣闊，但是目前該項研究還沒有用到實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，“這跟造價各方面都有很大的關(guān)系，因?yàn)橐_(dá)到良好的效果目前最好的催化材料就是金、鉑等，這顯然成本太高了。”中科院青能所仿生能源與儲能系統(tǒng)團(tuán)隊在鋰空氣電池電極材料的研究中取得突破性進(jìn)展，他們研發(fā)出的新型電極材料可以很好地提高鋰空電池在深度放電時的循環(huán)能力，為這種極具吸引力的電源體系盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

電池靠“呼吸”氧氣充放電

我們都了解，電池都有正負(fù)極，那鋰空氣電池的正負(fù)極是什么呢？崔光磊說，鋰空氣電池的正負(fù)極就在其名稱中，金屬鋰是它的負(fù)極，而正極就是空氣中的氧氣。

“鋰空氣電池的工作原理十分簡單，放電過程氧分子與鋰離子結(jié)合形成過氧化鋰；而在隨后的充電過程中，過氧化鋰進(jìn)行可逆分解，出現(xiàn)氧氣。”這個過程像極了生物的“呼吸”過程：吸入氧氣，氧氣跟有機(jī)物化和成水和二氧化碳，釋放出能量，供應(yīng)生物生命能量；而水和二氧化碳通過植物的光合用途生產(chǎn)儲存能量的有機(jī)物，釋放出氧氣。

崔光磊說，氧作為鋰空氣電池的正極好處太多了，因?yàn)檠踉诳諝庵袕V泛分布容易獲得，大大降低了電池的造價，并且對環(huán)境也沒有污染，這種電池的能量密度還很高，“這種技術(shù)投入商業(yè)化應(yīng)用，那么未來的電動汽車將具備能與傳統(tǒng)的燃油汽車相媲美的續(xù)航能力?！?/p>

“多面手”催化劑能吞能吐

那電池的“呼吸”是怎么樣完成的呢？這就不得不提到該團(tuán)隊的研究核心——催化劑。在該團(tuán)隊研究的鋰空氣電池示意圖中記者看到，這種電池分為三層，鋰、電解質(zhì)、催化劑。氧氣就是在催化劑層進(jìn)入電池跟鋰離子反應(yīng)的，“電解質(zhì)的用途就是讓鋰離子能順利通過但是又不至于造成正負(fù)極的短路?！倍茏屼嚭脱鯕狻奥?lián)姻”的關(guān)鍵，則是催化劑層。

據(jù)介紹，目前鋰空氣電池存在充放電能量轉(zhuǎn)化效率低、深度放電循環(huán)壽命短等兩個核心問題，該團(tuán)隊針對這個問題出發(fā)尋找制約兩個問題的關(guān)鍵：催化劑材料。“我們研究發(fā)現(xiàn)，過渡金屬的氮化物的特性非常適合?！边@也成了研究的突破口，該團(tuán)隊通過將鈷元素引入氮化物材料，設(shè)計合成了具有雙效催化性能的鈷鉬氮三元材料，“說它是雙效催化，也就是說類似于‘多面手’，它既可以催化放電，也可以催化充電，特性非常明顯?！?/p>

崔光磊說，他們將這種催化劑設(shè)計成為納米結(jié)構(gòu)，新增催化反應(yīng)的面積，形成高性能鋰空氣電池陰極，成功地降低了電池的充放電極化，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，大大提高了鋰空氣電池在深度放電時的循環(huán)壽命。一系列研究將鋰空氣電池的循環(huán)壽命提高70%。

有望助力替代汽車燃油

隨著化石類燃料價格的飛漲，通過高效的電源代替石油類產(chǎn)品，從而為機(jī)動車輛供應(yīng)動力支持，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會發(fā)展的迫切要求。鋰離子電池一直被視為電動汽車最佳候選者。然而，基于鋰離子電池電動汽車的續(xù)航能力仍然不能滿足人們的需求，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的汽車相比，鋰離子電池的能量密度仍然小于汽油燃燒的能量密度。而鋰空氣電池，作為鋰離子電池的理想替代者，蓄電能力比性能最好的鋰離子電池仍然高出10倍?！拔覀冞@個研究已經(jīng)持續(xù)了三年多時間，難度最大的還是尋找這種材料?！贝薰饫谡f，目前的結(jié)果也是他們多年奮斗的結(jié)果，意義重大。該項研究得到中科院、國家自然科學(xué)基金委、山東省杰青基金和青島市太陽能儲能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等攻關(guān)項目的支持，現(xiàn)已取得多項重要研究成果。

鏈接

鋰離子電池與鋰空氣電池

鋰離子電池廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦等，它是以含鋰化合物為正極，碳素材料為負(fù)極，比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠(yuǎn)。普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)電動汽車的普及，能量密度需達(dá)到目前的約6～7倍。于是，理論上能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。

科學(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以供應(yīng)與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實(shí)驗(yàn)室都在研究這種技術(shù)，但假如沒有重大突破，要想實(shí)現(xiàn)商用可能還要一按時間。