電池靠“呼吸”氧氣來充放電 - 電池容量有望突破，豐田發(fā)力鋰空氣電池

　　電池靠“呼吸”氧氣來充放電，聽著都新鮮。2月19日，記者從中科院青能所獲悉，該所團隊在“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合和分解的效率，從而提高充放電效率，為其盡快實現(xiàn)商業(yè)化應用奠定基礎，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用前景是非常廣闊的，”2月19日，中科院青能所仿生能源與儲能系統(tǒng)團隊研究員崔光磊向記者介紹了他們的團隊對于鋰空氣電池研究取得的新進展。

　　鋰電池大家都很熟悉，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公裡。

　　應用前景廣闊，但是目前該項研究還沒有用到實際運用當中，“這跟造價各方面都有很大的關系，因為要達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?！敝锌圃呵嗄芩律茉磁c儲能系統(tǒng)團隊在鋰空氣電池電極材料的研究中取得突破性進展，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現(xiàn)商業(yè)化應用奠定了基礎。

　　電池靠“呼吸”氧氣充放電

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

　　“鋰空氣電池的工作塬理十分簡單，放電過程氧分子與鋰離子結合形成過氧化鋰﹔而在隨后的充電過程中，過氧化鋰進行可逆分解，產(chǎn)生氧氣?！边@個過程像極了生物的“呼吸”過程：吸入氧氣，氧氣跟有機物化和成水和二氧化碳，釋放出能量，提供生物生命能量﹔而水和二氧化碳通過植物的光合作用生產(chǎn)儲存能量的有機物，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，因為氧在空氣中廣泛分布容易獲得，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，“這種技術投入商業(yè)化應用，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”是怎樣完成的呢？這就不得不提到該團隊的研究核心——催化劑。在該團隊研究的鋰空氣電池示意圖中記者看到，這種電池分為叁層，鋰、電解質(zhì)、催化劑。氧氣就是在催化劑層進入電池跟鋰離子反應的，“電解質(zhì)的作用就是讓鋰離子能順利通過但是又不至于造成正負極的短路?！倍茏屼嚭脱鯕狻奥?lián)姻”的關鍵，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化效率低、深度放電循環(huán)壽命短等兩個核心問題，該團隊針對這個問題出發(fā)尋找制約兩個問題的關鍵：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，該團隊通過將鈷元素引入氮化物材料，設計合成了具有雙效催化性能的鈷鉬氮叁元材料，“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計成為納米結構，增加催化反應的面積，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，從而為機動車輛提供動力支持，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，這是因為與傳統(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)了叁年多時間，難度最大的還是尋找這種材料?！贝薰饫谡f，目前的結果也是他們多年奮斗的結果，意義重大。該項研究得到中科院、國家自然科學基金委、山東省杰青基金和青島市太陽能儲能技術重點實驗室等攻關項目的支持，現(xiàn)已取得多項重要研究成果。

　　鋰離子電池與鋰空氣電池

　　鋰離子電池廣泛用于手機和筆記本電腦等，它是以含鋰化合物為正極，碳素材料為負極，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。普遍認為，要實現(xiàn)電動汽車的普及，能量密度需達到目前的約6～7倍。于是，理論上能量密度遠遠大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關注。

　　科學家認為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。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。全球不少實驗室都在研究這種技術，但如果沒有重大突破，要想實現(xiàn)商用可能還需要一定時間。