據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》1月26日報道，美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)通過提升鋰空氣電池容量大大提高了其耐用性，并已實(shí)現(xiàn)1000次充放電，達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。該成果除了延長電動汽車(EV)續(xù)航里程外，還有助于飛機(jī)、卡車實(shí)現(xiàn)電動化，預(yù)計將于2030年后投入使用。
阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室和伊利諾伊理工大學(xué)試制了被稱為“夢想電池”的鋰空氣電池。其理論容量約為每千克3000瓦時，是上限僅為300瓦時的鋰電池的10倍。
阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室專家拉里·柯蒂斯稱鋰空氣電池的能量密度在新一代電池中最高。該實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是讓鋰空氣電池的容量達(dá)到鋰離子電池的4倍。該水平將使EV充電一次的續(xù)航里程超過1000英里(約合1609公里)，是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)EV的4倍左右。
傳統(tǒng)鋰離子電池的容量難以進(jìn)一步提升。除鋰空氣電池外，還有以硫作為正極的鋰硫電池、以鋰作為負(fù)極的鋰金屬電池、以固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)電池也在開發(fā)中。
不過，不管哪一種電池，最高只能將其容量提升至現(xiàn)在的1.5至2倍。鋰空氣電池在鋰金屬負(fù)極中儲存了大量攜帶電子的鋰離子，通過使用空氣中的氧氣代替鋰化合物作為正極，可以減輕電池的重量。
但是，之前鋰離子與氧氣在放電過程中相結(jié)合，容易產(chǎn)生雜質(zhì)過氧化鋰。這種物質(zhì)在充電過程中很難轉(zhuǎn)化回鋰離子，因此容易導(dǎo)致對電池施加的電壓過大，從而使電池老化。
鋰金屬晶體有可能在負(fù)極上以針狀生長，延伸到正極會造成短路，因此此種電池只能進(jìn)行幾十次充放電。
為克服這一缺點(diǎn)，阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室使用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是將專門為此開發(fā)的鋰磷化合物融入鋰鹽與樹脂的復(fù)合物制成的。
研究人員將電解質(zhì)夾在正負(fù)極之間試制成電池。其容量為每千克685瓦時，是鋰電池的兩倍多。固體電解質(zhì)很難被分解，并且由于它緊密貼附在負(fù)極上施加壓力，可以防止生成針狀鋰晶體。其在放電過程中難以產(chǎn)生過氧化鋰，即使反復(fù)充放電1000次仍能保持88%的容量。
但是固體電解質(zhì)存在離子傳輸能力較差、難以產(chǎn)生高電壓和強(qiáng)電流等問題。離子傳輸能力根據(jù)電解質(zhì)所使用的元素類型和比例而不同。研究人員未來將繼續(xù)尋找最佳的電解質(zhì)配比，將電池性能提升數(shù)倍，并將固體電解質(zhì)變得更薄、更輕，提升電池單位容量。
柯蒂斯認(rèn)為，這些改良有望將新型電池容量提升到相當(dāng)于鋰離子電池4倍的每千克1200瓦時，他們正在同車企共同致力于實(shí)現(xiàn)新型電池的實(shí)用化。
目前，汽車領(lǐng)域中大型汽車的電動化進(jìn)程相對滯后。如果能將新型電池投入實(shí)際使用，就能實(shí)現(xiàn)美國城際遠(yuǎn)距離卡車的電動化，飛機(jī)電動化可能也不再是夢想。
盡管阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室在利用固體電解質(zhì)延長鋰空氣電池壽命的研究上處于領(lǐng)先地位，但是全世界都在取得進(jìn)展。韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院2020年實(shí)現(xiàn)了此類電池充放電100次，并已申請和公開了多項(xiàng)相關(guān)專利。
日本物質(zhì)與材料研究機(jī)構(gòu)(NIMS)與軟銀等公司開展合作，通過將固體電解質(zhì)薄膜與液體電解質(zhì)相結(jié)合，在2023年實(shí)現(xiàn)20次以上的充放電。
日本東北大學(xué)通過使用電解液延長電池正極壽命。其在電池正極采用具有許多直徑7納米孔隙的碳材料，對易因氧氣等物質(zhì)貼附而變質(zhì)的區(qū)域進(jìn)行熱處理。如此一來，即使對電池進(jìn)行充放電，正極也不會老化。
大阪大學(xué)教授中西周次等人在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的支持下，將從2月開始與美國、德國、英國研究者開展至2028年度末截止的國際聯(lián)合研究。其目標(biāo)是在2030年代前半期實(shí)現(xiàn)新型電池的實(shí)用化。
美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員在進(jìn)行鋰電池研究(美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站)
