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除了还原剂令人头痛,氧化剂的选择也没有什么余地。如果不用过渡金属,卤素也显然不行,那就只能选氧与硫。锂空气电池(锂、氧)与锂硫电池都有很多人研究,但进展寥寥。除了IBM曾经爆出过大新闻。
IBM旗下的“电池500”项目,致力于使锂空气电池商用化。和目前商用的重金属氧化物作为阴极的锂电池不同,锂空气电池的负极是泡在有机电解液里面的碳棒,反应物则是空气中的氧气。
这种反应模式最大的优点是无须自带阴极氧化物,重量大大减轻,能量密度可以提升10倍,插电式电动车依靠这种电池可以一次行驶800公里,超过传统动力车。不仅如此,锂空气电池也可以不进行充电,直接更换正负极卡盒,算是一种新型的燃料电池。
既然使用空气,该电池必须设计成开放系统,电极和电解质都暴露在空气中,这使得人们始终无法维持这两者的稳定性,被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应,导致负极迅速劣化。无论“锌空”到“锂空”,都被严厉地批判过。
空气-锂电池作用原理图
日本旭化成公司(AsahiKasei)和中央硝子公司(CentralGlass)在分离膜和电解液方面为该小组提供支持。
该小组尝试将碳棒换为昂贵的纳米金阴极,将阴极反应液换成更不容易参与阴极反应的有机液体。并声称获得“充放电高达数百次而性能下降不明显”的锂空气电池。但距离商用化,仍然有“很长的路要走”。
为了避免负极产生枝晶,即锂离子在负极表面无序生长,需要加强捕获锂离子的手段。微宏公司也声称采用“多孔复合碳”作为负极材料,比表面积是传统石墨的20倍以上,使锂离子稳定快速地迁移。
既然电池的正负极表面材料和结构大有讲究,为什么不利用近来突飞猛进的纳米技术,用各种纳米线、管、球、碗设计精细有序的表面结构呢?
石墨烯就是其中的大新闻。尽管人们普遍对此怀有疑虑,因为声称以石墨烯为原料的锂电池能量密度高达600wh/kg,是传统动力锂电池的5倍。一度有人将石墨烯技术当做解决新能源车续航问题的终极方案。可惜,谁也没有在可控成本上复制试验室成果。
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