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锂-空气电池商业化要解决哪些问题?
单纯来看锂与氧气进行氧化还原反应时,理论上能够产生的最大能量密度是3460Wh/kg。抛开电池单元中不进行化学反应的那部分,最终能够达到的能量密度数值也很让人期待。当然,同样会遇到问题。
锂-空气电池的充电过程与常规锂离子电池类似,只要在外部加压就可以实现。不同的是,锂空气电池中,当有外部电压时,过氧化锂的结构会破坏,还原成氧气与锂离子,锂离子回到正极。锂-空气电池与传统锂电池一样,充放电次数愈多,在电池内部产生的副作用就越大。这些副作用就是影响其量产乃至商业化的根本所在。
为了了解这些副作用对电池带来的影响,我们使用研究中心的电化学质谱仪,去精确测量在每一次充放电循环中,消耗与产生的气体量。结果就发现了一个问题:锂-空气电池在充电过程中释放出的氧气比放电时消耗的氧气要少很多。(在试验中,大多使用干氧而不是空气。)
IBM研究中心的电化学质谱仪(来源:IBM)
在理想的电池单元中,在放电过程中消耗的氧气与充电过程中释放的氧气质量是相等的。但是研究发现氧气的释放量却变少了,这也就是意味着那些并没有释放的氧气很有可能是与电池单元中的部件进行了反应,比如说融化到电解液之中,电池在发生内部消耗。
在IBM位于苏黎世的另外一个实验室中,我们进行了新的试验,对这种自我破坏的化学反应进行了跟踪和计算机模拟。最后发现原因在于有机电解液上。然后我们针对这个问题进行了研究,在最新的电池单元中,使用了新的电解液之后,充电时,能够释放出放电时吸收的大部分氧气。另外,我们也跟踪了在充放电时氢气与水的消耗与产生量,因为这两种物质的存在意味着在这个电池内部很有可能还存在至少一种自我消耗的化学反应。我们现在的电池单元已经能够达到200次充放电循环,虽然这是让实际的充电过程远远小于理论最大值。
除了这个问题之外,我们对于锂-空气电池的各个组件都有了一些关键性发现:
1.正极
与传统锂离子电池中的由石墨制成的正极不同,锂-空气电池中,含有锂的正极在充电过程中表面会发生一些变化,长出一些类似于苔藓或者树状结构,称之为树突(Dendrite)。这些树突是十分危险的,因为他们能够在正负极之间形成导电回路从而产生短路现象。
锂-空气电池正极,在数十循环之后,表面产生树突结构
为了减少树突的产生,我们使用了一种比较特殊的隔离膜。这种隔离膜由一层包含很多纳米级小孔的材料组成,这些小孔足够小,并且在膜上均匀分布,能够允许锂离子通过,并且压制树突的产生。因为这套隔离膜的存在,正极能够在几百次充电循环之后,表面仍然保持平滑。而如果使用传统的隔离膜,几次循环之后就会产生树突。如果使用一种含有导电离子的玻璃聚合物,效果会更好一些。
锂-空气电池正极,使用纳米隔离膜之后,表面保持平滑
2.电解液
目前使用的电解液依然会与氧气或者充放电循环中产生的其他化合物发生反应,从而被消耗。截止到目前为止,我们还没有发现哪种溶剂能够足够稳定,以便于让锂-空气电池能够进入到商业化的阶段。
3.阴极
在充电过程中,锂离子可能与负极发生反应会产生硝酸锂。硝酸锂同样会与电解液发生反应,消耗电解液并产生二氧化碳。我们在试验中,同样跟踪了硝酸锂的产生量,并采取了一些措施减少它的产生。不过,因为要求外加的充电电压必须比电池的工作电压要高出至少700mV以上。过压会降低电池的充电效率。我们曾试过将碳换成其他一些金属氧化物,结果并没有太大变化。
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