新型锂空电池，能量超乎你想像！

材料牛注：在电池阴极的一个新概念中，将锂氧化合物的纳米级颗粒嵌入在海绵状的氧化钴晶格中，能够使电池保持稳定。同时，该材料可以包装在电池内，类似于传统的密封电池，但能提供更多的能量。

在电动汽车和便携式电子设备方面，由于锂空气电池在相同的质量下能够提供更高的能量，所以其拥有着光明的前景。但是这种电池也有极大的缺点：它们把大量注入的能量作为热量散失掉了，并且电池也会逐渐的退化。再者，它们也需要昂贵的的额外组件输送或输出氧气，其是一个开放的电池结构，和传统的密封电池是截然相反的。

但该化学电池可以被使用在一个传统的、全密封的电池内，这一新的变化预示着类似的理论性能能够运用于锂空气电池中，同时克服所有的这些缺点。 称为nanolithia的阴极电池是一个新的电池概念，这一概念通过Ju Li和博士后Zhi Zhu以及麻省理工学院五人，以论文的形式发表在Nature Energy的杂志中。 Ju Li是麻省理工大学核科学与工程巴特尔能源联盟教授，麻省理工学院5人来自阿贡国家实验室和中国的北京大学。

Li解释说，锂空气电池的缺点之一是在涉及充放电电池时，电压不匹配。 电池的输出电压超过1.2伏，但是此时的电压却低于用于充电的电压。很明显，在每个充电周期内，存在着功率损耗。他说：“在充电的时候，你把30%的电能作为热能浪费掉了，事实上，如果你充电的速度过快的话，电池有可能就燃烧掉。”

传统的锂空气电池在放电循环过程中从外部空气中吸取氧气来驱动化学反应，而在充电循环的反向反应过程中氧气再次被释放到大气中。 在新一轮的充放电过程中，锂和氧之间的电化学反应发生依旧，但此时的反应却不再使氧还原成气态形式。

相反，氧存在于固体内部并且直接在它的三个价态之间进行氧化还原转化，同时束缚在三种不同的固体化合物Li2O、 Li2O2、LiO2中，并将它们混合在一个杯子中。这降低了五分之一的电压损失，从1.2V到0.42V，所以只有8%的电能变成热。Li说：“对于汽车而言，这意味着更快的充电，电池组的热量排出减少了安全隐患，并且有利于能源效率的提升。”

这种方法有助于克服锂空气电池另一个弊端：随着充放电化学反应过程的进行，氧在气体和固体之间转化，此时材料需经历巨大的体积变化，从而扰乱结构中的导电路径，进而严重限制其使用寿命。该新构想的方法则是创造纳米级的微小颗粒，将锂和氧容纳在杯子里，使其紧紧的限制在氧化钴晶格中。

研究人员将这些粒子定义为nanolithia，在这种形式下，LiO2、 Li2O2、 Li2O可以完全地发生于固体材料内部。nanolithia颗粒通常会很不稳定，因此研究人员将其嵌入在氧化钴晶格内，形成的海绵状材料的nanolithia颗粒的孔隙直径只有几个纳米。这种模型有利于颗粒的稳定，同时也可以为它们的转化充当催化剂。

Li解释说：“传统的锂空气电池是真正的干电池，因为它们很难去除水分和二氧化碳”。所以必须对进入的空气进行仔细清洗，再注入电池内。你需要大量的辅助系统来去除二氧化碳和水分，这一点通常很难做到。但是新电池绝不需要外部任何空气，从而避免了这一问题。团队成员也提到，这种新电池本身也会受到过度充电的保护，在这种情况下，化学反应自身也会受到限制。过度充电时，反应转化到一个不同的形式，以此阻碍进一步的反应。

Li说：“对于一般的电池，如果你过度充电，会造成不可逆的损伤或者爆炸，但是对于nanolithia电池，我们过度充电15天，达到它容量的100倍，也不会造成一点损害”。在循环实验中，一个实验室版本的新电池，通过120次充放电周期，显示小于2%的容量损失，这表明这种电池有很长的使用寿命。由于就像传统的固体锂离子电池一样可以安装和操作，没有任何辅助部件的锂空气电池，就可以很容易地适应现有的装置或传统的电池组设计的汽车、电子，甚至电网规模的电力存储。

团队成员说：“由于这些‘固态氧’阴极比传统的锂离子电池阴极更轻，对于给定的阴极重量，新的设计可以存储两倍的能量”。Li说：“随着进一步的研发，该电池最终能够再次实现容量的翻倍”。Li说：“所有的一切不需要任何昂贵的组件或者材料”，比如他们使用的电解质恰恰是最便宜的碳酸盐。Li说：“氧化钴成分重量不足nanolithia的50%，总之，价格低廉的新电池系统具有非常强的扩展性，并且相比锂空气电池来说更安全。”相信其应用前景将不可限量。

目前，该成果已发表于Nature Energy，Anion-redox nanolithia cathodes for Li-ion batteries

参考原文链接：New lithium-oxygen battery greatly improves energy efficiency, longevity

本文由编辑部张莹提供素材，刘纯编译，牛蕾审核，点我加入材料人编辑部。

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