锂电池的新突破:库伦效率有望提高至接近 100%

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近年不少科学家致力研究新电池种类,期望能使用更少能源就能缔造更高电量外,也希望带来更长的电池续航力。近来科技界热谈的锂空气电池(Lithium-air battery),因其备有超高理论能量密度、轻巧重量的特质,被不少科学家看好,能成为日后重要电池类型,惟现阶后还是开发当中,推出未有期。

不过近日锂空气电池取得突破性发展,加拿大知名学府滑铁卢大学(University of Waterloo)科研团队解决了锂空气电池两大最具挑战的问题,不只首度实现四电子转换,也让锂空气电池储能增加 50%。

锂空气电池阳极(负极)采用金属锂,阴极(正极)材料则是空气中重量几乎可不计的氧。而锂离子电池的阳极通常为石墨,阴极为锂化合物,为了让锂离子在移动时可以安稳嵌入阴极,需要打造一个更大更重的结构去“收纳”锂离子,也因此电池容量有限,让锂离子电池的能量密度一直过不去门坎。

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但锂空气电池的理论能量密度却能远远超过其他电池,比现有锂离子电池高 5~10 倍,接近汽油的能量密度,也就是说,如果锂空气电池有一天成功商业化,电动车将拥有媲美汽油车的续航里程。

有科学家也将锂空气电池称为锂氧电池(lithium-oxygen battery),与锂硫电池(Lithium sulfur battery)并列新兴应用的首选高能可充电电池,一篇发表于 2017 年英国化学学会《再生能源与燃料》期刊的论文表示,锂硫电池已被引入能量储存市场,而锂氧电池的实用原型已开发出来,两种电池都在迅速发展当中。

但是锂空气电池有两大严重缺点,第一个是电化学过程中形成的中间体(intermediate):超氧化锂(LiO2)和过氧化锂(Li2O2)会从内部降解电池;第二个是超氧化物在该过程中会消耗有机电解质,极大限制了电池循环周期寿命。

滑铁卢大学化学系教授 Linda Nazar 团队因此决定将有机电解质换成更稳定的无机熔盐,多孔碳阴极则换成二功能金属氧化物触媒,接着在 150℃ 环境下实验,发现中间体改形成较稳定的氧化锂(Li 2 O)而不是过氧化锂,这使得电池高度可逆,库伦效率(Coulombic Efficiency)接近 100%。此外,电池能保持优异充电特性,实现四电子转移,进而可以多储存 50% 能量。

但这款锂空气电池在实际应用前还有很长一段路要走,因为我们必须在电动车中将电池加热到 150℃ 它才能工作,麻省理工学院能源材料研究员 Yang Shao-Horn 在同期期刊评论中指出,这款锂空气电池也许可以作为飞机、潜艇的紧凑型动力源。

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