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”的奇思妙想走進現(xiàn)實。
最近，南開大學(xué)研究團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極;負極是呈層狀結(jié)構(gòu)的碳，上面有很多微孔，到達負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，當我們使用電池的時候，嵌在負極碳層中的鋰離子就立刻跳脫出來，快速“跑”回到正極。回到正極的鋰離子越多，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散到鋰負極發(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。
