相比起鋰離子電池，鋰空氣電池的優(yōu)勢(shì)在哪里？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-28 22:48
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鋰空氣電池是一種用鋰作負(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因?yàn)槠潢帢O(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。
放電過(guò)程:負(fù)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子(Li+)，Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料，在正極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過(guò)氧化鋰(Li2O2)，并留在正極。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91V。
由于其理論比能量高，鋰空氣電池被認(rèn)為是鋰離子電池的潛在替代品。然而，迄今為止，這樣的系統(tǒng)主要限于純氧環(huán)境，并且由于涉及陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的副反應(yīng)而具有有限的循環(huán)壽命。在存在N2，CO2和水蒸氣的情況下，這些副反應(yīng)可能變得更加復(fù)雜。此外，由于需要儲(chǔ)存O2，鋰－氧體系的體積能量密度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言可能太小。
近日，在伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校AminSalehi－Khojin教授和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室LarryA．Curtiss教授（共同通訊作者）的團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，與伊利諾伊理工大學(xué)和加利福尼亞州立大學(xué)合作，采用了兩種策略來(lái)限制在含有代表性量的O2，N2，CO2和H2O的模擬空氣氛圍中的鋰－氧電池中的副反應(yīng)。首先，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了Li2CO3／C涂層鋰陽(yáng)極僅允許鋰陽(yáng)離子通過(guò)，從而保護(hù)陽(yáng)極免受模擬空氣的成分影響。其次，基于先前報(bào)道的二硫化鉬納米薄片構(gòu)建陰極，并使用離子液體1－乙基－3－甲基咪唑四氟硼酸鹽（EMIM－BF4）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物作為電解質(zhì)。該系統(tǒng)的組件一起運(yùn)行，以防止在CO2和H2O存在下形成副產(chǎn)物。在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作，循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)700次。相關(guān)成果以題為“Alithium–oxygenbatterywithalongcyclelifeinanair－likeatmosphere”發(fā)表在了Nature上。
雖然鋰空氣電池目前仍處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，但其在能量密度方面表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了認(rèn)可，有望成為普通鋰離子電池的革命性替代品。催化劑有助于提高電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率、提升電池儲(chǔ)能和供能性能。因此將鋰空氣電池與用二維材料制成的先進(jìn)催化劑配合使用，有望進(jìn)一步提升鋰空氣電池的性能。
phys.org網(wǎng)站1月10日?qǐng)?bào)道，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校副教授AminSalehi-Khojin的團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》（AdvancedMaterials）雜志撰文稱(chēng)，他們合成了多種二維材料，部分材料作為催化劑使用，可使鋰空氣電池的儲(chǔ)能性提升10倍。論文通訊作者AminSalehi-Khojin說(shuō)。“現(xiàn)在，電動(dòng)汽車(chē)每次充電后大約可以行駛100英里，將二維催化劑加入鋰空氣電池中，可使其單次充電后的行駛里程增加到400~500英里。這將是儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。”
AminSalehi-Khojin團(tuán)隊(duì)共合成了15種不同類(lèi)型的二維過(guò)渡金屬二硫化合物（TMDCs）。TMDCs是一種性質(zhì)獨(dú)特的化合物，它具有良好的導(dǎo)電性和電子快速轉(zhuǎn)移能力，可以用于促進(jìn)電池充、放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。研究人員對(duì)15種TMDCs在鋰空氣電池模擬系統(tǒng)中的催化性能進(jìn)行了研究。論文第一作者、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校研究生LeilyMajidi解釋說(shuō)：“將TMDCs設(shè)計(jì)成二維結(jié)構(gòu)，可獲得更好的更好的電子性能和更大的反應(yīng)表面積，從而使其以更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)參與電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。與鉑、金等傳統(tǒng)催化劑相比，二維TMDCs的催化性能要強(qiáng)得多。”
此外，這種二維材料還能與電解質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用。AminSalehi-Khojin說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的二維TMDCs材料可與離子液體電解質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，幫助電子更快地轉(zhuǎn)移，從而更有效地存儲(chǔ)和釋放能量。這類(lèi)新材料代表了一種提升電池性能的新途徑。現(xiàn)在我們需要做的，就是找到優(yōu)化材料性能和大規(guī)模生產(chǎn)這種材料的方法。”
放電過(guò)程:負(fù)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子(Li+)，Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料，在正極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過(guò)氧化鋰(Li2O2)，并留在正極。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91V。
由于其理論比能量高，鋰空氣電池被認(rèn)為是鋰離子電池的潛在替代品。然而，迄今為止，這樣的系統(tǒng)主要限于純氧環(huán)境，并且由于涉及陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的副反應(yīng)而具有有限的循環(huán)壽命。在存在N2，CO2和水蒸氣的情況下，這些副反應(yīng)可能變得更加復(fù)雜。此外，由于需要儲(chǔ)存O2，鋰－氧體系的體積能量密度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言可能太小。
近日，在伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校AminSalehi－Khojin教授和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室LarryA．Curtiss教授（共同通訊作者）的團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，與伊利諾伊理工大學(xué)和加利福尼亞州立大學(xué)合作，采用了兩種策略來(lái)限制在含有代表性量的O2，N2，CO2和H2O的模擬空氣氛圍中的鋰－氧電池中的副反應(yīng)。首先，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了Li2CO3／C涂層鋰陽(yáng)極僅允許鋰陽(yáng)離子通過(guò)，從而保護(hù)陽(yáng)極免受模擬空氣的成分影響。其次，基于先前報(bào)道的二硫化鉬納米薄片構(gòu)建陰極，并使用離子液體1－乙基－3－甲基咪唑四氟硼酸鹽（EMIM－BF4）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物作為電解質(zhì)。該系統(tǒng)的組件一起運(yùn)行，以防止在CO2和H2O存在下形成副產(chǎn)物。在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作，循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)700次。相關(guān)成果以題為“Alithium–oxygenbatterywithalongcyclelifeinanair－likeatmosphere”發(fā)表在了Nature上。
雖然鋰空氣電池目前仍處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，但其在能量密度方面表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了認(rèn)可，有望成為普通鋰離子電池的革命性替代品。催化劑有助于提高電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率、提升電池儲(chǔ)能和供能性能。因此將鋰空氣電池與用二維材料制成的先進(jìn)催化劑配合使用，有望進(jìn)一步提升鋰空氣電池的性能。
phys.org網(wǎng)站1月10日?qǐng)?bào)道，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校副教授AminSalehi-Khojin的團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》（AdvancedMaterials）雜志撰文稱(chēng)，他們合成了多種二維材料，部分材料作為催化劑使用，可使鋰空氣電池的儲(chǔ)能性提升10倍。論文通訊作者AminSalehi-Khojin說(shuō)。“現(xiàn)在，電動(dòng)汽車(chē)每次充電后大約可以行駛100英里，將二維催化劑加入鋰空氣電池中，可使其單次充電后的行駛里程增加到400~500英里。這將是儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。”
AminSalehi-Khojin團(tuán)隊(duì)共合成了15種不同類(lèi)型的二維過(guò)渡金屬二硫化合物（TMDCs）。TMDCs是一種性質(zhì)獨(dú)特的化合物，它具有良好的導(dǎo)電性和電子快速轉(zhuǎn)移能力，可以用于促進(jìn)電池充、放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。研究人員對(duì)15種TMDCs在鋰空氣電池模擬系統(tǒng)中的催化性能進(jìn)行了研究。論文第一作者、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校研究生LeilyMajidi解釋說(shuō)：“將TMDCs設(shè)計(jì)成二維結(jié)構(gòu)，可獲得更好的更好的電子性能和更大的反應(yīng)表面積，從而使其以更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)參與電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。與鉑、金等傳統(tǒng)催化劑相比，二維TMDCs的催化性能要強(qiáng)得多。”
此外，這種二維材料還能與電解質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用。AminSalehi-Khojin說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的二維TMDCs材料可與離子液體電解質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，幫助電子更快地轉(zhuǎn)移，從而更有效地存儲(chǔ)和釋放能量。這類(lèi)新材料代表了一種提升電池性能的新途徑。現(xiàn)在我們需要做的，就是找到優(yōu)化材料性能和大規(guī)模生產(chǎn)這種材料的方法。”
