中年|新电池可以克服锂空气电池的主要缺点
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在电池阴极的新概念中 ， 由锂和氧化合物制成的纳米级颗粒（以红色和白色表示）被嵌入海绵状的氧化钴晶格（黄色）中 ， 从而使它们保持稳定 。
麻省理工学院的工程师建议 ， 可以将一种新的锂氧电池材料包装在与传统密封电池非常相似的电池中 ， 但要为其重量提供更多的能量 。
锂空气电池被认为是电动汽车和便携式电子设备的极有前途的技术 ， 因为它们具有与重量成比例地提供高能量输出的潜力 。 但是这种电池有一些非常严重的缺陷：它们会浪费大量注入的能量 ， 因为热量会相对快速地降解 。 它们还需要昂贵的额外组件 ， 以与传统的密封电池完全不同的开孔构造将氧气泵入和泵出 。
但是 ， 可以在常规的全密封电池中使用的一种新的电池化学变化 ， 有望克服与锂空气电池类似的理论性能 ， 同时克服所有这些缺点 。
麻省理工学院的Battelle能源联盟核科学与工程教授Ju Li 在《自然能源》杂志的一篇论文中描述了一种称为纳米锂阴极电池的新电池概念 。 博士后朱竹 以及麻省理工学院 ， 阿贡国家实验室和中国北京大学的另外五名学生 。
李解释说 ， 锂空气电池的缺点之一是电池充电和放电电压之间的不匹配 。 电池的输出电压比用于充电的电压低1.2伏以上 ， 这表示每个充电周期都会产生大量的功率损耗 。 “您浪费30％的电能作为充电中的热量 。 …如果充电速度过快 ， 它实际上会燃烧 ， ”他说 。
保持稳定
常规的锂空气电池在放电循环中从外部空气中吸收氧气 ， 以驱动与电池锂的化学反应 ， 然后在充电循环中的逆反应期间 ， 该氧气再次释放到大气中 。
在新的变体中 ， 在充电和放电期间 ， 锂和氧之间会发生相同类型的电化学反应 ， 但它们不会使氧恢复为气态而发生 。 取而代之的是 ， 氧停留在固体内部并直接在其三种氧化还原状态之间转换 ， 同时以三种不同的固体化合物Li 2 O ， Li 2 O 2和LiO 2的形式结合 ， 它们以玻璃的形式混合在一起 。 这将电压损失从1.2伏降低到0.24伏 ， 降低了五倍 ， 因此只有8％的电能转化为热量 。 李说：“这意味着为汽车充电更快 ， 因为从电池组中散发出的热量不再是安全问题 ， 而是要提高能源效率 。 ”
这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题：随着充电和放电过程中发生的化学反应在气态和固态之间转换氧气 ， 材料会经历巨大的体积变化 ， 从而破坏结构中的导电路径 ， 从而严重限制了其使用寿命 。
新配方的秘诀是在纳米级（十亿分之一米）产生微小的颗粒 ， 其中包含玻璃形式的锂和氧 ， 它们紧密地限制在氧化钴基质中 。 研究人员将这些颗粒称为纳米石 。 他说 ， 以这种形式 ， LiO 2 ， Li 2 O 2和Li 2 O 之间的过渡可以完全在固体材料内部发生 。
纳米石颗粒通常会非常不稳定 ， 因此研究人员将其嵌入氧化钴基质中 ， 该基质是一种海绵状材料 ， 其孔径仅为几纳米 。 基质使颗粒稳定 ， 并且还充当颗粒转化的催化剂 。
李解释说 ， 传统的锂空气电池是“真正的锂干氧电池 ， 因为它们确实不能处理湿气或二氧化碳” ， 因此必须从馈入电池的空气中仔细擦洗 。 “您需要大型辅助系统以去除二氧化碳和水 ， 这很难做到 。 ” 但是 ， 新电池不需要吸入任何外部空气 ， 因此可以避免此问题 。
没有过度充电
研究小组说 ， 这种新电池还具有内在的保护 ， 可以防止过度充电 ， 因为这种情况下的化学反应自然是自限性的-当过度充电时 ， 反应会转变为另一种形式 ， 阻止进一步的活动 。 “使用典型的电池 ， 如果对电池过度充电 ， 会导致不可逆的结构损坏甚至爆炸 ， ”李说 。 但是对于纳米锂电池 ， “我们已经对电池过度充电了15天 ， 达到其容量的100倍 ， 但完全没有损坏 。 ”
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