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科学家成功量化锂空气电池化学反应产物 助力研发更合适的锂空气电池

LARGE  |  点击量:55次  |  2021年12月16日  

摘要
NIMS和SoftBank发现,高能量密度锂空气电池的循环寿命主要受电解液体积与电极面积容量之比的影响。研究小组开发了一种技术来量化电池电化学反应中产生的副反应产物和氧气。利用这项技术,研究小组能够精确地评估反应物和产物之间的整体平衡,从而

NIMS和SoftBank发现,高能量密度锂空气电池的循环寿命主要受电解液体积与电极面积容量之比的影响。研究小组开发了一种技术来量化电池电化学反应中产生的副反应产物和氧气。利用这项技术,研究小组能够精确地评估反应物和产物之间的整体平衡,从而得出这一发现。这些结果有助于实用锂空气电池的研发。


锂空气电池是一种金属空气电化学电池,阳极(负极)采用了金属锂,而阴极(正极)材料,则是空气中的氧,放电过程中,负极的金属锂被氧化,正极的氧气被还原,从而在外电路中产生电流。原先在1970年代提出锂空气电池可能用作电动汽车的电源,由于材料技术的进步和增长的对于环境安全和对于替代石油的能源的需求,在2000年代末锂空气电池重新激发了科学兴趣。


锂空气电池具有重量轻、能量容量大、理论能量密度是目前能量密度的数倍等优点,有发展成为终极可充电池的潜力。由于这些潜在的优势,他们预计将适用于广泛的技术,如无人机,电动汽车和家庭电力存储系统。


尽管LAB由于其极高的理论能量密度而吸引了很多研究,但在完全过渡之前,仍然需要克服各种技术限制。众所周知,LAB的性能主要由发生在阴极表面的电化学反应决定。由于其比表面积和孔隙率高,重量轻,制造成本低,人们对各种碳及其在LAB中用作阴极材料的广泛兴趣引起了人们的兴趣。


NIMS软银先进技术开发中心成立于2018年,一直在开展锂空气电池研究,以实现锂空气电池在各种技术中的实际应用,包括手机基站、物联网和HAPS(高空平台站)。为此,延长电池的循环寿命尤为重要。目前对锂空气电池循环寿命的评价主要集中在对单个电池组件(如电极材料)的评价上,而对实际制造功能性高能量密度锂空气电池并评价其循环寿命的研究较少。此外,只有一些方法可用于定量测量电池电化学反应中涉及的物质(例如,用作阴极活性材料的氧和气体副产物)。由于这些局限性,反应物和产物之间的整体平衡无法测量,因此很难确定影响电池循环寿命的主要因素,并减缓了实用锂空气电池的研发。


该研究小组最近开发了一种技术,能够量化电化学反应中使用的氧气以及充放电循环中产生的气体和挥发性物质。研究小组随后利用这项技术精确分析了NIMS软银先进技术开发中心开发的高能量密度锂空气电池中发生的复杂电化学反应。


因此,研究小组首次发现锂空气电池的循环寿命主要受电解液体积与电极面积容量之比的影响。这意味着,在保持电解液体积不变的同时,通过降低电极的面积容量,可以延长电池的循环寿命。然而,降低电极面积容量也会导致电池的能量密度降低。因此,在设计电池和评价电池材料的过程中,开发实用的锂空气电池需要优化配比参数。


锂-氧二室测试电池和析出气的表征工具。


在未来的研究中,我们打算开发减少电池中电化学反应产生的副产品数量的方法,从而加速NIMS软银先进技术开发中心将锂空气电池投入实际使用的努力。


这项研究于2020年12月2日发表在在线期刊RSCAdvances上。


关于锂空气电池的其他研究


在《应用催化B:环境》发表的一项研究中,来自韩国和泰国的研究小组描述了他们如何将硫化镍钴纳米薄片涂覆到掺杂有硫的石墨烯阴极上。结果:电极既具有改善的导电性又具有催化活性。


“这是一种非常有趣的设计方法,”英国能源技术研究机构EnergyLancaster的负责人HarryHoster说。


电池通常通过氧化还原反应产生电能。对于锂空气电池,来自阳极的锂被氧化,而氧分子在阴极被还原。所得产物为过氧化锂(Li2O2)。


据说阴极是魔术发生的地方。由于氧气可以从空气中连续供应,而不是以有限的量存储在电池中,因此锂空气电池在理论上可以提供其锂离子表亲的能量密度的10倍。而且,积聚在石墨阴极上的过氧化锂越多,电池的充电容量就越高。


Hoster说,用硫修饰碳阴极可以使过氧化锂更容易粘附在阴极上。因为硫原子提供了局部的胶点,是粘附物体的固定点。


韩国大邱庆北科技学院的物理化学家SangarajuShanmugam也是该论文的合著者之一,他说,硫还为电池提供了更多好处。因为硫原子的大小比碳原子大得多,所以掺杂阴极的硫会扩展多孔碳晶格结构,从而增加其表面积。“当发生这种情况时,电子可以在石墨烯中更好地运动,因此可以改善导电性。”Shanmugam说。


用硫化镍钴纳米薄片涂覆阴极表面通过增加催化活性提供了额外的促进作用。Shanmugam解释说:“硫与硫化钴镍中的金属部位发生相互作用,并且石墨烯表面与纳米薄片之间存在很强的协同作用。”


薄片还在阴极表面和所得的过氧化锂放电产物之间形成保护层,该产物具有高度腐蚀性。结果是电池的可循环性大大提高了-刚超过1,700小时或两个月以上,Shanmugam说这是其发明的“最强项”。比放电容量也是“超高”,接近每克14,200毫安小时(mAh/g)。该新技术正在韩国申请专利。


兰开斯特的主持人说:“他们提出的材料非常非常有趣……而且看来他们是第一个将其引入社区的人。”但是他对结果的乐观程度持谨慎态度。


他说,该系统需要进行更强大的测试。为了正确地测量电催化活性,研究人员应该以较高的速度(而不是较低的速度)进行循环伏安图(一种测试,其中施加外部电压并进行变化以查看电池电流如何相应变化)。此外,他们进行的放电实验太浅(以1,000mAH/g的比容量停止)不能被认为是适当的压力测试,因为从长远来看,电池不会产生过多的副产品,而这些副产品会导致电池在充电时褪色。


他还强调了电池的低充电效率,这是您获得的能量与充电时所消耗能量的比较。由于发热或在电极上发生有害的副反应,可能导致能量损失。大约为65%,比我们预期的低15%至25%。这是继续困扰锂空气电池使用的众多问题之一。其他包括处理形成的化学侵蚀性过氧化锂副产物,该副产物需要高充电电压才能去除,会分解电解质,进而限制电池的循环寿命。


纯锂阳极也带来问题。高度反应性的锂当暴露于水和其他元素时会燃烧。然后是空气本身的问题。虽然在实验室中为电池供氧可以正常工作,但对于在道路上行驶的电动汽车来说却是不可行的。使用空气是目标,但您首先必须去除对电池有害的杂质,例如二氧化碳和水蒸气。


这些发展挑战已削弱了近年来锂空气电池的热情,IBM和美国资助的储能研究联合中心等公司放弃了对其他下一代电池类型的研究。甚至在向电池研究投入了6500万英镑的英国法拉第研究所(FaradayInstitution)的最后一轮融资中,也决定投资于锂硫电池而非锂空气电池,因为他们认为前者“也有风险,但更现实”。


他说:“这是一个令人震惊的现实……锂氧电池有点像核聚变在大型技术中的作用。有很多潜在的胜利,但是有很多失败的结局。”


但是,由于锂空气电池的能量密度可能是传统的能量密度的10倍,因此仍有很大的差距。但是必须怀抱期望。


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