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鋰空氣電池研究獲重大突破,庫倫效率接近100%

2018-10-23

  近年不少科學家致力研究新電池種類,期望能使用更少能源就能締造更高電量外,也希望帶來更長的電池續航力。近來科技界熱談的鋰空氣電池(Lithium-air battery),因其備有超高理論能量密度、輕巧重量的特質,被不少科學家看好,能成為日后重要電池類型,惟現階后還是開發當中,推出未有期。

  不過近日鋰空氣電池取得突破性發展,加拿大知名學府滑鐵盧大學(University of Waterloo)科研團隊解決了鋰空氣電池兩大最具挑戰的問題,不只首度實現四電子轉換,也讓鋰空氣電池儲能增加 50%。

  鋰空氣電池陽極(負極)采用金屬鋰,陰極(正極)材料則是空氣中重量幾乎可不計的氧。而鋰離子電池的陽極通常為石墨,陰極為鋰化合物,為了讓鋰離子在移動時可以安穩嵌入陰極,需要打造一個更大更重的結構去“收納”鋰離子,也因此電池容量有限,讓鋰離子電池的能量密度一直過不去門坎。

  但鋰空氣電池的理論能量密度卻能遠遠超過其他電池,比現有鋰離子電池高 5~10 倍,接近汽油的能量密度,也就是說,如果鋰空氣電池有一天成功商業化,電動車將擁有媲美汽油車的續航里程。

  有科學家也將鋰空氣電池稱為鋰氧電池(lithium-oxygen battery),與鋰硫電池(Lithium sulfur battery)并列新興應用的首選高能可充電電池,一篇發表于 2017 年英國化學學會《再生能源與燃料》期刊的論文表示,鋰硫電池已被引入能量儲存市場,而鋰氧電池的實用原型已開發出來,兩種電池都在迅速發展當中。

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  但是鋰空氣電池有兩大嚴重缺點,第一個是電化學過程中形成的中間體(intermediate):超氧化鋰(LiO2)和過氧化鋰(Li2O2)會從內部降解電池;第二個是超氧化物在該過程中會消耗有機電解質,極大限制了電池循環周期壽命。

  滑鐵盧大學化學系教授 Linda Nazar 團隊因此決定將有機電解質換成更穩定的無機熔鹽,多孔碳陰極則換成二功能金屬氧化物觸媒,接著在 150℃ 環境下實驗,發現中間體改形成較穩定的氧化鋰(Li 2 O)而不是過氧化鋰,這使得電池高度可逆,庫倫效率(Coulombic Efficiency)接近 100%。此外,電池能保持優異充電特性,實現四電子轉移,進而可以多儲存 50% 能量。

  但這款鋰空氣電池在實際應用前還有很長一段路要走,因為我們必須在電動車中將電池加熱到 150℃ 它才能工作,麻省理工學院能源材料研究員 Yang Shao-Horn 在同期期刊評論中指出,這款鋰空氣電池也許可以作為飛機、潛艇的緊湊型動力源。

  新研究發表在《科學》期刊。


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