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南開大學(xué)科研團(tuán)隊在鋰-氧氣電池研究領(lǐng)域獲突破!

2021-05-11 08:50  來源:中國青年報  瀏覽:  

南開大學(xué)科研團(tuán)隊在鋰-氧氣電池研究領(lǐng)域獲突破

電池驅(qū)動未來

讓電池“吸”入空氣中的氧氣,經(jīng)過簡單的化學(xué)反應(yīng),實現(xiàn)放電;充電時,放電產(chǎn)物通過可逆反應(yīng)被分解,又重新釋放出氧氣。這意味著,結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保、理論能量密度極高的鋰-氧氣電池,正在讓“空氣發(fā)電”的奇思妙想走進(jìn)現(xiàn)實。

最近,南開大學(xué)研究團(tuán)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,開辟了構(gòu)筑高效金屬-空氣電池的新思路。團(tuán)隊成員、南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士后高蘇寧解釋說,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。

日前,介紹該研究成果的論文發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

比鋰離子電池容量高3-5倍

從原理上看,鋰-氧氣電池明顯不同于我們熟悉的鋰離子電池。

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(fù)極兩端來回“奔跑”產(chǎn)生電流。

鋰是化學(xué)元素周期表中最活潑的元素,在鋰離子電池中更像個運動健將。電池充電時,鋰離子在正極上生成,它拼命穿過電池中的電解液沖到負(fù)極;負(fù)極是呈層狀結(jié)構(gòu)的碳,上面有很多微孔,到達(dá)負(fù)極的鋰離子一下子就嵌入碳層的微孔之中。嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。

反過來,當(dāng)我們使用電池的時候,嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子就立刻跳脫出來,快速“跑”回到正極?;氐秸龢O的鋰離子越多,放電容量越高。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,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。

在眾多新型高比能量電池中,鋰-氧氣電池技術(shù)憑借高理論能量密度(高達(dá)3600瓦時每公斤),有望超過現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù),廣受研究人員關(guān)注。

與鋰離子電池需要鎳、鈷、錳等元素做電極不同,鋰-氧氣電池的結(jié)構(gòu)更簡單,可以直接用鋰金屬作為負(fù)極,把空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物。電池放電時,氧氣在電池的多孔正極中被還原出來,與電解液中的鋰離子結(jié)合生成放電物——過氧化鋰,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。

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。

鋰本身就是化學(xué)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,且可隨時取用、無需存儲,因此這種電池可以更小、更輕。與此同時,其單位質(zhì)量可以儲存并釋放的能量更多。

“目前公認(rèn)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。這意味著,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(dǎo)致的續(xù)航里程的瓶頸,對于清潔能源未來的發(fā)展有著重要的意義。

離“空氣發(fā)電”又近了一步

盡管被認(rèn)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(yīng)動力學(xué)導(dǎo)致的充放電過程極化大、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(yīng)用的腳步。

極化,指的是充放電過程出現(xiàn)的能量差。也就是說,充進(jìn)去的電多,但最終能使用的電相對較少。

“目前,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(jìn)過氧化鋰的生成和分解,以降低充/放電極化。”高蘇寧說,即使是最高效的正極催化劑,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,即使在不放電的情況下就已經(jīng)損失了30%左右。與此同時,可溶性氧化還原媒介可能會擴(kuò)散到鋰負(fù)極發(fā)生副反應(yīng),降低電池能量效率,“因此,探索新的反應(yīng)機(jī)制以降低鋰-氧氣電池極化是非常必要的。”

研究者發(fā)現(xiàn),光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。那么,采用能帶結(jié)構(gòu)合適的半導(dǎo)體材料,將光引入鋰-氧氣電池中,就能顯著提升正極反應(yīng)動力學(xué),降低充/放電過電壓。

目前采用的半導(dǎo)體光吸收主要集中在紫外光區(qū),僅占太陽光譜的4%,可有效使用的光非常少,與反應(yīng)需要的光能嚴(yán)重不匹配。“我們就給鋰-氧氣電池設(shè)計一個特別的聚光鏡,幫助正極接受到更多的光能,從而加快電池反應(yīng)。”這支由南開大學(xué)年輕科學(xué)家組成的團(tuán)隊致力于將半導(dǎo)體材料應(yīng)用于光響應(yīng)的鋰-氧氣電池和鋅-空氣電池中。他們發(fā)現(xiàn),將金屬納米顆粒載入電池的正極,負(fù)載到多孔氮化碳上,研究出金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)提升氧氣還原和析出反應(yīng)動力學(xué)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可大幅提升可見光的吸收,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,同時提升氧氣還原反應(yīng)動力學(xué),促進(jìn)放電產(chǎn)物過氧化鋰的生成。充電時也可高效氧化過氧化鋰,釋放出氧氣。

改進(jìn)后的鋰-氧氣電池的放電電壓提高到3.16V,超過了無光照時的平衡電壓200mV,意味著在放電過程中,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(xué)能存儲在鋰-氧氣電池中,使充電電壓降至3.26V,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,使得電池容量更大且輸出電流更穩(wěn)定。

然而,讓前沿的電池技術(shù)從實驗室,走入真正的工廠中,還有很長的路要走。設(shè)計制造新型電池,也成為各國激烈競爭的領(lǐng)域。讓研究者們欣喜的是,從世界范圍看,大量的資金和人才正在注入新一代電池業(yè),可以預(yù)見,全新能源變革的時代已經(jīng)開啟。

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