氧電池大大提高了能源效率延長了使用壽命
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-02 12:11
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但是，可用于傳統(tǒng)的全密封電池的電池化學(xué)的新變化承諾具有與鋰 - 空氣電池類似的理論性能，同時(shí)克服所有這些缺點(diǎn)。
新電池概念，稱為納米石英陰極電池，在麻省理工學(xué)院Battelle能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程教授Ju Li的論文“ 自然能源 ”雜志中有所描述。博士后朱; 以及麻省理工學(xué)院，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和中國北京大學(xué)的其他五個(gè)人。
Li解釋說，鋰空氣電池的缺點(diǎn)之一是電池充電和放電所涉及的電壓之間的不匹配。電池的輸出電壓比用于充電的電壓低1.2伏以上，這代表了每個(gè)充電周期中產(chǎn)生的顯著功率損耗。“你在充電過程中浪費(fèi)了30%的電能作為熱量......如果過快地充電，它實(shí)際上會(huì)燃燒，”他說。
保持穩(wěn)固
傳統(tǒng)的鋰 - 空氣電池從外部空氣吸入氧氣以在放電循環(huán)期間驅(qū)動(dòng)與電池鋰的化學(xué)反應(yīng)，然后在充電循環(huán)中的反向反應(yīng)期間該氧氣再次釋放到大氣中。
在新變型中，在充電和放電期間在鋰和氧之間發(fā)生相同類型的電化學(xué)反應(yīng)，但是它們在沒有讓氧氣恢復(fù)成氣態(tài)的情況下發(fā)生。相反，氧氣停留在固體內(nèi)部并直接在其三種氧化還原狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化，同時(shí)以三種不同的固體化合物L(fēng)i2O，Li2O2和LiO2的形式結(jié)合，它們以玻璃的形式混合在一起。這將電壓損失降低了五倍，從1.2伏特降低到0.24伏特，因此只有8%的電能轉(zhuǎn)化為熱能。“這意味著更快的汽車充電，因?yàn)閺碾姵亟M中散熱不是安全問題，也不是能源效益，”李說。
這種方法有助于克服鋰空氣電池的另一個(gè)問題：由于充電和放電中涉及的化學(xué)反應(yīng)在氣態(tài)和固態(tài)形式之間轉(zhuǎn)換氧，材料經(jīng)歷巨大的體積變化，可能破壞結(jié)構(gòu)中的電傳導(dǎo)路徑，嚴(yán)重限制其壽命。
新配方的秘訣在于產(chǎn)生納米尺度(十億分之一米)的微小顆粒，其中包含鋰和玻璃形式的氧氣，緊密地限制在??氧化鈷基質(zhì)中。研究人員將這些粒子稱為納米石化。他說，在這種形式中，LiO2，Li2O2和Li2O之間的過渡可以完全在固體材料內(nèi)部進(jìn)行。
納米石化顆粒通常非常不穩(wěn)定，因此研究人員將它們嵌入氧化鈷基質(zhì)中，這是一種海綿狀材料，孔隙只有幾納米?；|(zhì)穩(wěn)定顆粒并且還充當(dāng)它們轉(zhuǎn)化的催化劑。
Li解釋說，傳統(tǒng)的鋰空氣電池“真的是鋰干電池，因?yàn)樗鼈冋娴臒o法處理水分或二氧化碳”，所以必須小心地從供給電池的進(jìn)氣中擦洗它們。“你需要大型輔助系統(tǒng)去除二氧化碳和水，而且這很難做到。” 但這種永遠(yuǎn)不需要吸入任何外部空氣的新電池可以解決這個(gè)問題。
沒有多收費(fèi)用
該團(tuán)隊(duì)表示，新電池本身也可以防止過度充電，因?yàn)樵谶@種情況下，化學(xué)反應(yīng)自然是自我限制的 - 當(dāng)過度充電時(shí)，反應(yīng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉乐惯M(jìn)一步活動(dòng)的不同形式。“對于典型的電池，如果你過度充電，它會(huì)導(dǎo)致不可逆的結(jié)構(gòu)損壞甚至爆炸，”李說。但是使用納米光纖電池，“我們已經(jīng)將電池充電超過15天，達(dá)到其容量的一百倍，但根本沒有損壞。”
在循環(huán)測試中，新電池的實(shí)驗(yàn)室版本經(jīng)歷了120次充電 - 放電循環(huán)，并且顯示出不到2%的容量損失，表明這種電池可能具有長的使用壽命。并且因?yàn)檫@些電池可以像傳統(tǒng)的固體鋰離子電池一樣安裝和操作，沒有鋰 - 空氣電池所需的任何輔助元件，它們可以很容易地適應(yīng)現(xiàn)有裝置或汽車，電子產(chǎn)品的傳統(tǒng)電池組設(shè)計(jì)，甚至是電網(wǎng)規(guī)模的電力儲(chǔ)存。
該團(tuán)隊(duì)表示，由于這些“固體氧”陰極比傳統(tǒng)的鋰離子電池陰極輕得多，因此新設(shè)計(jì)可以為給定的陰極重量儲(chǔ)存多達(dá)兩倍的能量。李說，隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善，新電池最終可能再次翻倍。
Li表示，所有這一切都是在不添加任何昂貴組件或材料的情況下完成的。他說，他們在這種電池中用作液體電解質(zhì)的碳酸鹽“是最便宜的電解質(zhì)”。并且氧化鈷組分的重量小于納米石英組分的50%。Li說，總的來說，新電池系統(tǒng)“比鋰空氣電池更具可擴(kuò)展性，便宜性和安全性”。
