電池驅(qū)動未來
讓電池“吸”入空氣中的氧氣汰翠，經(jīng)過簡單的化學反應怖糊，實現(xiàn)放電;充電時，放電產(chǎn)物通過可逆反應被分解，又重新釋放出氧氣爬蜜。這意味著港揉，結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保菜册、理論能量密度極高的鋰-氧氣電池蕴续，正在讓“空氣發(fā)電”的奇思妙想走進現(xiàn)實。
最近蓄棘，南開大學研究團隊的研究成果指向了一種新的可能性——把光引入鋰-氧氣電池贰宰，開辟了構(gòu)筑高效金屬-空氣電池的新思路。團隊成員褥欺、南開大學化學學院博士后高蘇寧解釋說芍迫，這樣能夠直接將光在電池中實現(xiàn)轉(zhuǎn)化和存儲，為太陽能發(fā)電和存儲提供了新策略盔鬼。
日前哪趟，介紹該研究成果的論文發(fā)表在國際頂級學術(shù)刊物《美國科學院院刊》(PNAS)上。
比鋰離子電池容量高3-5倍
從原理上看女饺，鋰-氧氣電池明顯不同于我們熟悉的鋰離子電池纹怨。
盡管鋰離子電池經(jīng)歷了幾十年的技術(shù)革新，但原理仍是鋰離子在正負極兩端來回“奔跑”產(chǎn)生電流儒恋。
鋰是化學元素周期表中最活潑的元素善绎，在鋰離子電池中更像個運動健將。電池充電時诫尽，鋰離子在正極上生成禀酱，它拼命穿過電池中的電解液沖到負極;負極是呈層狀結(jié)構(gòu)的碳，上面有很多微孔牧嫉，到達負極的鋰離子一下子就嵌入碳層的微孔之中比勉。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高驹止。
反過來浩聋，當我們使用電池的時候，嵌在負極碳層中的鋰離子就立刻跳脫出來臊恋，快速“跑”回到正極衣洁。回到正極的鋰離子越多抖仅，放電容量越高坊夫。通常所說的電池容量指的就是放電容量。
隨著人們對鋰離子電池能量密度的追求越來越高撤卢，傳統(tǒng)的含鋰氧化物/石墨電池結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足高比能量鋰離子電池的需求蛾藐。
在眾多新型高比能量電池中瘤希，鋰-氧氣電池技術(shù)憑借高理論能量密度(高達3600瓦時每公斤)，有望超過現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)保懈，廣受研究人員關(guān)注答艘。
與鋰離子電池需要鎳、鈷锉辫、錳等元素做電極不同息体，鋰-氧氣電池的結(jié)構(gòu)更簡單，可以直接用鋰金屬作為負極瑰兄，把空氣中的氧氣作為正極反應物狗悔。電池放電時，氧氣在電池的多孔正極中被還原出來锤距，與電解液中的鋰離子結(jié)合生成放電物——過氧化鋰巡软，在外電路中產(chǎn)生電流;充電時，過氧化鋰又可逆分解成鋰和氧氣脸夜。
從全新的構(gòu)成就可看出其優(yōu)勢——鋰-氧氣電池可以實現(xiàn)比鋰離子電池高得多的能量密度菌劲。
鋰本身就是化學元素周期表中最輕的金屬元素，而鋰-氧氣電池又是從空氣中吸收氧氣來充電益涧，且可隨時取用、無需存儲驯鳖，因此這種電池可以更小闲询、更輕。與此同時浅辙，其單位質(zhì)量可以儲存并釋放的能量更多扭弧。
“目前公認鋰-氧電池的能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的3-5倍。”高蘇寧說记舆。這意味著鸽捻，如果鋰-氧氣電池最終走向市場并用于電動汽車，將改變目前鋰離子電池能量密度過低而導致的續(xù)航里程的瓶頸泽腮，對于清潔能源未來的發(fā)展有著重要的意義御蒲。
離“空氣發(fā)電”又近了一步
盡管被認為是極具發(fā)展前景下一代電池體系，但其正極遲滯的反應動力學導致的充放電過程極化大诊赊、能量效率低等問題極大地制約了鋰-氧氣電池的發(fā)展和應用的腳步厚满。
極化，指的是充放電過程出現(xiàn)的能量差楚餐。也就是說斤卒，充進去的電多，但最終能使用的電相對較少撇扯。
“目前囚誓，主要的解決辦法是采用固體電催化劑和液體氧化還原媒介來促進過氧化鋰的生成和分解酸穗，以降低充/放電極化。”高蘇寧說启孔，即使是最高效的正極催化劑方蜡，鋰-氧氣電池的充電電壓比放電電壓高1.0V左右，意味著電池充完電辖芍，即使在不放電的情況下就已經(jīng)損失了30%左右臀嘱。與此同時，可溶性氧化還原媒介可能會擴散到鋰負極發(fā)生副反應所硅，降低電池能量效率嘴父，“因此，探索新的反應機制以降低鋰-氧氣電池極化是非常必要的营稼。”
研究者發(fā)現(xiàn)企悦，光激發(fā)半導體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學反應動力學。那么宏赘，采用能帶結(jié)構(gòu)合適的半導體材料绒北，將光引入鋰-氧氣電池中，就能顯著提升正極反應動力學察署，降低充/放電過電壓闷游。
目前采用的半導體光吸收主要集中在紫外光區(qū)，僅占太陽光譜的4%贴汪，可有效使用的光非常少脐往，與反應需要的光能嚴重不匹配。“我們就給鋰-氧氣電池設(shè)計一個特別的聚光鏡扳埂，幫助正極接受到更多的光能业簿，從而加快電池反應。”這支由南開大學年輕科學家組成的團隊致力于將半導體材料應用于光響應的鋰-氧氣電池和鋅-空氣電池中阳懂。他們發(fā)現(xiàn)梅尤，將金屬納米顆粒載入電池的正極，負載到多孔氮化碳上岩调，研究出金屬/半導體異質(zhì)結(jié)提升氧氣還原和析出反應動力學巷燥。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬/半導體異質(zhì)結(jié)可大幅提升可見光的吸收沛狱，異質(zhì)結(jié)界面處的空間電荷層可延長光生電子和空穴壽命玲侧，同時提升氧氣還原反應動力學，促進放電產(chǎn)物過氧化鋰的生成乍之。充電時也可高效氧化過氧化鋰符破，釋放出氧氣。
改進后的鋰-氧氣電池的放電電壓提高到3.16V促奇，超過了無光照時的平衡電壓200mV瞭阔，意味著在放電過程中管剂，鋰-氧氣電池也可以將部分光能被轉(zhuǎn)化成電能輸出;充電時，光能被轉(zhuǎn)化成化學能存儲在鋰-氧氣電池中撵靴，使充電電壓降至3.26V崇槽，電池的充/放電電壓差減小至0.2V，同時也獲得了優(yōu)異的電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性招砌，使得電池容量更大且輸出電流更穩(wěn)定秆廉。
然而，讓前沿的電池技術(shù)從實驗室粉私，走入真正的工廠中顽腾，還有很長的路要走。設(shè)計制造新型電池诺核，也成為各國激烈競爭的領(lǐng)域抄肖。讓研究者們欣喜的是，從世界范圍看窖杀，大量的資金和人才正在注入新一代電池業(yè)漓摩，可以預見，全新能源變革的時代已經(jīng)開啟入客。
