鋰空氣電池或解決致命缺陷

    來自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)以及德國(guó)燃燒技術(shù)研究所的研究人員聯(lián)合研究證明，一種電解液可有效增加鋰空氣電池的容量。這種電解液由能釋放較多電子的陰離子和釋放電子較少的非水溶劑組成。該研究發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

    對(duì)于電動(dòng)車而言，金屬空氣電池?zé)o疑是最具吸引力的潛在之星，它重量輕、能量密度高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，將電動(dòng)車所需要的特性集于一身。然而鋰空氣電池至今未能一顯身手，原因在于它存在致命缺陷，即固體反應(yīng)生成物會(huì)在正極堆積，從而導(dǎo)致放電停止。非水溶性鋰空氣電池，其電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物為過氧化鋰。過氧化鋰不溶解于質(zhì)子惰性有機(jī)溶劑，會(huì)在陰極表面形成沉積物，最終會(huì)使陰極無法發(fā)生反應(yīng)，從而降低電池的容量。

    數(shù)家研究單位一直在試圖克服這個(gè)問題，其中的一個(gè)方法是，調(diào)整電解液來增強(qiáng)中間產(chǎn)品的溶解度。研究人員對(duì)電解液進(jìn)行了定性和定量研究，測(cè)量如何通過溶解氧化鋰來提高電池容量。在他們?cè)O(shè)計(jì)的電解液中，電池容量可增加4倍，并證明了陰離子在電池循環(huán)周期中發(fā)揮著非常重要的作用。

    隨后研究人員利用掃描電子顯微鏡來檢查過氧化鋰在陰極表面上的沉積形態(tài)。結(jié)果表明，電池容量的增加可能是由于NO3-（硝酸根離子團(tuán)帶一個(gè)單位負(fù)電荷）誘導(dǎo)可溶性氧離子出現(xiàn)而增加。核磁共振進(jìn)一步證實(shí)，NO3-離子對(duì)電解液釋放電子發(fā)揮著重要作用。

    研究人員還研究了溶劑的熱力學(xué)性質(zhì)，來獲得陰離子釋放電子數(shù)量如何影響電池容量的定量模型。他們利用簡(jiǎn)化的伊辛模型來描述鋰離子溶劑化層，該模型主要用于研究相鄰粒子之間的相互作用。研究人員給出了溶劑電子釋放的函數(shù)，在假定電解液在鋰離子溶劑化層中的位置為常數(shù)的條件下，證明隨著NO3-離子濃度的增加，其在溶劑化層中能占據(jù)更多位置。

    利用該模型，研究人員創(chuàng)建了等高線圖，為研究金屬空氣電池提供了廣義的工具。其結(jié)論是，能釋放較多電子數(shù)量的陰離子，可使氧化鋰無法形成，進(jìn)而可提高電池容量。

    該研究表明，電解液靶向中間產(chǎn)物，是一種克服鋰空氣電池缺陷，提高電池容量的方法。此外，該模型還可以廣泛地適用于其他金屬空氣電池。<