新电池可克服锂空气电池的关键缺点 2017-06-12 10:42:01

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在电池阴极的新概念中,由锂和氧化合物制成的纳米级颗粒(以红色和白色表示)嵌入海绵状晶格(黄色)的氧化钴中,这使得它们保持稳定麻省理工学院的工程师提出新的锂 - 氧电池材料可以包装在与传统密封电池非常相似的电池中,但为其重量提供更多的能量锂空气电池被认为是电动汽车和便携式电子设备的极具前景的技术,因为它们有可能提供与其重量成比例的高能量输出但是这种电池有一些相当严重的缺点:它们将大部分注入的能量作为热量浪费并相对较快地降解

它们还需要昂贵的额外组件来泵入氧气进出开放式电池配置这与传统的密封电池有很大不同但是电池化学的一种新变化,可以用于公司传统的全密封电池,具有与锂 - 空气电池类似的理论性能,同时克服所有这些缺点新电池概念,称为纳米石英阴极电池,在“自然能源”期刊中由Ju Li,Battelle Energy撰写的一篇论文中有所描述

麻省理工学院核科学与工程联盟教授;博士后朱;麻省理工学院,阿贡国家实验室和中国北京大学的其他五个人李先生解释说,锂空气电池的一个缺点是电池充电和放电所涉及的电压不匹配电池的输出电压超过12伏特低于用于充电的电压,这代表了每个充电周期中产生的显着功率损耗“你在充电过程中浪费了30%的电能作为热量......如果充电过快,它实际上会燃烧,”他说固体常规锂 - 空气电池从外部空气吸入氧气,在放电循环期间与电池的锂发生化学反应,然后在充电循环中的反向反应期间,这种氧气再次释放到大气中

在新的变型中,在充电和放电期间,锂和氧之间发生相同类型的电化学反应,但它们在没有放出牛的情况下发生ygen还原为气态反而,氧气停留在固体内部并在其三种氧化还原状态之间直接转化,同时以三种不同的固体化合物Li2O,Li2O2和LiO2的形式结合,它们以形式混合在一起

玻璃将电压损失降低5倍,从12伏降低到024伏,因此只有8%的电能转为热量“这意味着汽车充电速度更快,因为电池组的散热量更少一个安全问题,以及能源效益,“李说这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题:由于充电和放电中涉及的化学反应在气态和固态形式之间转换氧气,材料经历了巨大的体积变化可以破坏结构中的导电路径,严重限制其寿命新配方的秘密在于产生微小的颗粒,纳米尺度(十亿分之一米) ),其中含有玻璃形式的锂和氧,紧密地限制在​​氧化钴基质内研究人员将这些颗粒称为纳米立方体

在这种形式中,LiO2,Li2O2和Li2O之间的过渡可以完全发生他说,在固体材料内部,纳米石化颗粒通常会非常不稳定,因此研究人员将它们嵌入氧化钴基质中,这是一种海绵状材料,其孔隙只有几纳米

基质可稳定颗粒并起催化作用Li解释说,传统的锂空气电池“真的是锂干电池,因为它们真的无法处理水分或二氧化碳”,因此必须小心地从进入电池的空气中清洗这些电池“你需要大型的辅助系统去除二氧化碳和水,这很难做到这一点“但新的电池,从来不需要吸入任何外部空气,电路想要解决这个问题 没有过度充电该团队表示,新电池本身也可以防止过度充电,因为这种情况下的化学反应自然是自我限制的 - 当过度充电时,反应转变为另一种形式,阻止了进一步的活动“使用典型的电池,如果你过度充电,它会造成不可逆转的结构损坏甚至爆炸,“李说,但是使用纳米石器电池,”我们已经将电池充电超过15天,达到其容量的100倍,但根本没有损坏“测试中,新电池的实验室版本经历了120次充电 - 放电循环,并且显示出不到2%的容量损失,这表明这种电池可能具有较长的使用寿命并且因为这样的电池可以安装和操作就像传统的固体锂离子电池,没有锂 - 空气电池所需的任何辅助元件,它们可以很容易地适应现有装置或传统装置用于汽车,电子产品甚至电网规模蓄电池的电池组设计因为这些“固体氧”阴极比传统锂离子电池阴极轻得多,所以新设计可以为给定阴极存储多达两倍的能量该团队表示,随着设计的进一步完善,Li说,新电池最终可以再次增加一倍的容量所有这一切都是在不添加任何昂贵的元件或材料的情况下完成的,Li表示他们用作液体电解质的碳酸盐

他说,这种电池“是最便宜的”电解质,而氧化钴成分的重量不到纳米结构部件的50%

总体而言,新型电池系统“比锂空气电池”具有“可扩展性,价格便宜,安全性更高”,李说团队希望在一年左右的时间内从实验室规模的概念证明转变为实用的原型“这是一个基本的突破,可能会改变o的范式基于xygen的电池,“俄勒冈州立大学化学助理教授Xiulei Ji说,他没有参与这项工作”在这个系统中,商业碳酸盐基电解质与溶剂化的超氧化物穿梭机配合得非常好,这非常令人印象深刻,可能与此密封系统中缺乏任何气态O2有关

整个循环过程中阴极的所有活性质量都是固体,这不仅具有较大的能量密度,而且与当前的电池制造基础设施兼容“研究团队包括麻省理工学院研究科学家Akihiro Kushima和Zongyou Yin;北京大学陆奇;伊利诺伊州Argonne国家实验室的Khalil Amine和Jun Lu这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持出版:Zhi Zhu等人,“用于锂离子电池的阴离子氧化还原纳米碳阴极”,Nature Energy 1,货号:16111(2016); doi:101038 / nenergy2016111来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒