電池靠“呼吸”氧氣來充放電

    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，為其盡快實現商業化應用奠定基礎，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，高出現有電池體系1到2個數量級，也就是說單位質量的電池放出的電量是其他電池的數十乃至上百倍。

    據了解，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�仿生能源與儲能系統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能力，為這種極具吸引力的電源體系盡快實現商業化應用奠定了基礎。

    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。

    “鋰空氣電池的工作原理十分簡單，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，“這種技術投入商業化應用，那么未來的電動汽車將具備能與傳統的燃油汽車相媲美的續航能力�！�

    “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，這種電池分為三層，鋰、電解質、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�能讓鋰和氧氣“聯姻”的關鍵，則是催化劑層。

    據介紹，目前鋰空氣電池存在充放電能量轉化效率低、深度放電循環壽命短等兩個核心問題，該團隊針對這個問題出發尋找制約兩個問題的關鍵：催化劑材料。“我們研究發現，過渡金屬的氮化物的特性非常適合。”這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�！�

    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壽命。一系列研究將鋰空氣電池的循環壽命提高 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品，從而為機動車輛提供動力支持，已經成為現代社會發展的迫切要求。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航能力仍然不能滿足人們的需求，這是因為與傳統的汽車相比，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@個研究已經持續了三年多時間，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，現已取得多項重要研究成果。 ▇