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鋰空氣電池理論能量密度約為3500瓦時/千克
發布時間:2014-05-07

  近日,韓國研究人員發現,鋰空氣電池的性能與二氧化碳的含量有較大關聯。相關論文已發表于《美國化學學會期刊》上。研究人員認為,電池中的Li2CO3根據鋰空氣電池中電解質的介電性能(dielectric properties),能夠選擇性地作為放電反應的最終產物。此外,他們還驗證了Li2CO3在鋰-氧氣/二氧化碳電池循環中能夠發生可逆反應。

  研究者認為,了解鋰空氣電池中CO2的化學特性以及二氧化碳在電解質溶解時起到的作用對于鋰空氣電池的發展有重要意義。另外,基于Li2CO3來探究可充電鋰-氧氣/二氧化碳電池的可能性有一個最大的優點——最大限度地減少不良反應。

  鋰空氣電池的最高理論能量密度約為3500瓦時/千克,是下一代電動車能量儲存系統的良好動力源,可使電動車實現更長的行駛里程。鋰空氣電池的結構基于一對夾層電極(intercalation electrode)。在充電時,鋰離子從陰極移動至電解液然后插進陽極;放電時,該過程逆轉。

  鋰空氣電池要達到商業化階段還面臨著許多科技與工程上的難題,包括對于電池反應機制的了解程度不夠、電解質的化學性能不穩定、循環壽命短、離子傳遞速率低等因素,均在很大程度上導致了電池過高載荷現象。

  研究人員指出:“現在還不知道當鋰空氣電池在無氧環境下測試時會發生何種情況,因為以前大部分研究都是在有氧環境下進行測試的,并將空氣中其他成分對于電池性能的影響忽略不計。所以,證明二氧化碳對于鋰空氣電池的影響,就必須營造出一個溫室環境,并逐個研究空氣中其他成分(氮氣、氬氣、水、二氧化碳)對于電池性能的影響。”

  假設通過防水膜可以去除水份(導致電解質和陽極劣化的主要物質),二氧化碳對于鋰空氣電池的化學特性應該有著最顯著的影響,超過空氣中其他成份的影響力。傳統鋰空氣電池的陰極電壓為3伏,在周圍環境含有氬氣和氮氣時,3伏的電壓無法激活電化學反應,而二氧化碳由于其惰性較強,則可承受響應的電化學反應。

  化學穩定性的差異意味著最終產物Li2O2總會通過二氧化碳被轉化成Li2CO3,而該不可逆反應限制了鋰空氣電池的循環性能。

  另外,盡管二氧化碳在空氣中的比例不高,但因為二氧化碳具有高溶解度(比氧氣高50倍),因此將其應用于電池反應中。為了進一步發展鋰空氣電池技術,必須將二氧化碳與Li2CO3對于鋰空氣電池性能的影響考慮在內。

  韓國高級科學技術研究所(Korea Advanced Institute of Science and Technology)以及首爾國立大學(Seoul National University)研究小組研究了各種電解質條件下,利用量子力學模擬與試驗驗證相結合,研究鋰氧氣/二氧化碳電池的反應機理。

  他們發現,一種低介電的電解質會形成Li2O2,而高介電解質會活化二氧化碳,產生Li2CO3。不過意外的收獲是,他們發現類似二甲化硯(DMSO)之類的高電介質可使Li2CO3產生可逆反應。

  研究者表示,這項發現非常重要,因為在含有二氧化碳的環境中,鋰空氣電池中Li2CO3的形成是不可避免的,然而目前發現了可以促使其發生可逆反應的物質,可使電池的循環性能更穩定。

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