南开大学科研团队在锂-氧气电池研究领域获突破:​比锂离子电池容量高3-5倍
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南开大学科研团队在锂-氧气电池研究领域获突破:​比锂离子电池容量高3-5倍

2021年05月11日 07:44:07
来源:中国青年报

让电池“吸”入空气中的氧气,经过简单的化学反应,实现放电;充电时,放电产物通过可逆反应被分解,又重新释放出氧气。这意味着,结构简单、绿色环保、理论能量密度极高的锂-氧气电池,正在让“空气发电”的奇思妙想走进现实。

最近,南开大学研究团队的研究成果指向了一种新的可能性——把光引入锂-氧气电池,开辟了构筑高效金属-空气电池的新思路。团队成员、南开大学化学学院博士后高苏宁解释说,这样能够直接将光在电池中实现转化和存储,为太阳能发电和存储提供了新策略。

日前,介绍该研究成果的论文发表在国际顶级学术刊物《美国科学院院刊》(PNAS)上。

比锂离子电池容量高3-5倍

从原理上看,锂-氧气电池明显不同于我们熟悉的锂离子电池。

尽管锂离子电池经历了几十年的技术革新,但原理仍是锂离子在正负极两端来回“奔跑”产生电流。

锂是化学元素周期表中最活泼的元素,在锂离子电池中更像个运动健将。电池充电时,锂离子在正极上生成,它拼命穿过电池中的电解液冲到负极;负极是呈层状结构的碳,上面有很多微孔,到达负极的锂离子一下子就嵌入碳层的微孔之中。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

反过来,当我们使用电池的时候,嵌在负极碳层中的锂离子就立刻跳脱出来,快速“跑”回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。通常所说的电池容量指的就是放电容量。

随着人们对锂离子电池能量密度的追求越来越高,传统的含锂氧化物/石墨电池结构已经难以满足高比能量锂离子电池的需求。

在众多新型高比能量电池中,锂-氧气电池技术凭借高理论能量密度(高达3600瓦时每公斤),有望超过现有的锂离子电池技术,广受研究人员关注。

与锂离子电池需要镍、钴、锰等元素做电极不同,锂-氧气电池的结构更简单,可以直接用锂金属作为负极,把空气中的氧气作为正极反应物。电池放电时,氧气在电池的多孔正极中被还原出来,与电解液中的锂离子结合生成放电物——过氧化锂,在外电路中产生电流;充电时,过氧化锂又可逆分解成锂和氧气。

从全新的构成就可看出其优势——锂-氧气电池可以实现比锂离子电池高得多的能量密度。

锂本身就是化学元素周期表中最轻的金属元素,而锂-氧气电池又是从空气中吸收氧气来充电,且可随时取用、无需存储,因此这种电池可以更小、更轻。与此同时,其单位质量可以储存并释放的能量更多。

“目前公认锂-氧电池的能量密度是现有锂离子电池的3-5倍。”高苏宁说。这意味着,如果锂-氧气电池最终走向市场并用于电动汽车,将改变目前锂离子电池能量密度过低而导致的续航里程的瓶颈,对于清洁能源未来的发展有着重要的意义。

离“空气发电”又近了一步

尽管被认为是极具发展前景下一代电池体系,但其正极迟滞的反应动力学导致的充放电过程极化大、能量效率低等问题极大地制约了锂-氧气电池的发展和应用的脚步。

极化,指的是充放电过程出现的能量差。也就是说,充进去的电多,但最终能使用的电相对较少。

“目前,主要的解决办法是采用固体电催化剂和液体氧化还原媒介来促进过氧化锂的生成和分解,以降低充/放电极化。”高苏宁说,即使是最高效的正极催化剂,锂-氧气电池的充电电压比放电电压高1.0V左右,意味着电池充完电,即使在不放电的情况下就已经损失了30%左右。与此同时,可溶性氧化还原媒介可能会扩散到锂负极发生副反应,降低电池能量效率,“因此,探索新的反应机制以降低锂-氧气电池极化是非常必要的。”

研究者发现,光激发半导体产生的光电子和空穴可极大提升电化学反应动力学。那么,采用能带结构合适的半导体材料,将光引入锂-氧气电池中,就能显著提升正极反应动力学,降低充/放电过电压。

目前采用的半导体光吸收主要集中在紫外光区,仅占太阳光谱的4%,可有效使用的光非常少,与反应需要的光能严重不匹配。“我们就给锂-氧气电池设计一个特别的聚光镜,帮助正极接受到更多的光能,从而加快电池反应。”这支由南开大学年轻科学家组成的团队致力于将半导体材料应用于光响应的锂-氧气电池和锌-空气电池中。他们发现,将金属纳米颗粒载入电池的正极,负载到多孔氮化碳上,研究出金属/半导体异质结提升氧气还原和析出反应动力学。

结果发现,金属/半导体异质结可大幅提升可见光的吸收,异质结界面处的空间电荷层可延长光生电子和空穴寿命,同时提升氧气还原反应动力学,促进放电产物过氧化锂的生成。充电时也可高效氧化过氧化锂,释放出氧气。

改进后的锂-氧气电池的放电电压提高到3.16V,超过了无光照时的平衡电压200mV,意味着在放电过程中,锂-氧气电池也可以将部分光能被转化成电能输出;充电时,光能被转化成化学能存储在锂-氧气电池中,使充电电压降至3.26V,电池的充/放电电压差减小至0.2V,同时也获得了优异的电池倍率性能和循环稳定性,使得电池容量更大且输出电流更稳定。

然而,让前沿的电池技术从实验室,走入真正的工厂中,还有很长的路要走。设计制造新型电池,也成为各国激烈竞争的领域。让研究者们欣喜的是,从世界范围看,大量的资金和人才正在注入新一代电池业,可以预见,全新能源变革的时代已经开启。