科学家揭示了新的锂氧电池设计

还原的氧化石墨烯电极（黑色，中间）的假色显微镜图，该电极具有大的（约20微米）氢氧化锂颗粒（粉红色），当锂氧电池放电时会形成粉红色。

使用高度多孔的石墨烯电极，科学家们开发了一种基于实验室的锂氧电池演示器，该锂离子电池具有更高的容量，更高的能源效率以及比以前的设计更高的稳定性。

科学家开发了一种工作中的锂氧电池演示器，该锂氧电池具有很高的能量密度，效率超过90％，并且迄今为止可以充电2000次以上，显示出阻碍开发的几个问题这些设备中的一个可以解决。

锂氧电池或锂空气电池由于其理论能量密度而被吹捧为“终极”电池，是锂离子电池的十倍。如此高的能量密度可以与汽油媲美，并且只需一次充电，即可将带电池的电动汽车从伦敦运到爱丁堡，其成本是目前市场上的五分之一，而重量却是目前市场上五分之一的重量。

但是，与其他下一代电池一样，在锂空气电池成为汽油的可行替代品之前，还需要解决一些实际挑战。

现在，来自剑桥大学的研究人员已经展示了如何克服这些障碍，并开发了基于实验室的锂氧电池演示器，该演示器比以前的尝试具有更高的容量，更高的能源效率和更高的稳定性。

他们的演示者依靠由石墨烯制成的高度多孔，“蓬松”碳电极（包含一层单原子厚度的碳原子）和添加剂来改变电池中的化学反应，从而使其更稳定，更高效。尽管《科学》杂志报道的结果令人鼓舞，但研究人员告诫，实际的锂空气电池至少还有十年之遥。

克莱尔教授说：“我们已经取得了这项技术的重大进步，并提出了整个研究的新领域–我们尚未解决该化学方法固有的所有问题，但我们的结果确实显示了向实用设备发展的途径。”剑桥大学化学系的格雷，该论文的高级作者。

除电池外，我们每天使用的许多技术每年都在变得越来越小，越来越快，越来越便宜。除了可以持续使用数天而不需要充电的智能手机外，与制造更好的电池相关的挑战还阻碍了两种主要清洁技术的广泛采用：电动汽车和用于太阳能的网格规模存储。

“最简单的形式是，电池由三部分组成：正极，负极和电解质，”化学部的刘涛博士说。他也是该论文的第一作者。

在笔记本电脑和智能手机中使用的锂离子（Li-ion）电池中，负极由石墨（一种碳的形式）制成，正极由金属氧化物（例如钴酸锂）制成，并且电解质是溶解在有机溶剂中的锂盐。电池的作用取决于电极之间锂离子的运动。锂离子电池很轻，但是容量会随着时间的流逝而降低，并且其相对较低的能量密度意味着它们需要经常充电。

在过去的十年中，研究人员一直在开发各种可替代锂离子电池的替代品，并且锂空气电池由于其极高的能量密度而被认为是下一代能量存储的终极产品。然而，先前在工作的示威者的尝试效率低，速率性能差，不希望的化学反应，并且只能在纯氧气中循环。

Liu，Gray和他们的同事开发的化学方法与早期的非水锂空气电池尝试所用的化学方法截然不同，它依赖于氢氧化锂（LiOH）而不是过氧化锂（Li2O2）。通过添加水和使用碘化锂作为“介体”，他们的电池显示出更少的化学反应，这些化学反应会导致电池死亡，从而使其在经过多次充电和放电循环后更加稳定。

通过精确地设计电极的结构，将其更改为高度多孔的石墨烯形式，添加碘化锂并更改电解质的化学组成，研究人员能够将充放电之间的“电压间隙”减小到0.2伏。较小的电压间隙等于更高效的电池–先前版本的锂空气电池只能将间隙降低至0.5 – 1.0伏，而0.2伏则更接近于锂离子电池，相当于一个锂离子电池。能源效率为93％。

尽管仅在一定的充电和放电速率下，但高度多孔的石墨烯电极也极大地提高了演示器的容量。仍然需要解决的其他问题包括找到一种保护金属电极的方法，以使其不会形成被称为树枝状晶体的尖锐的锂金属纤维，如果长太多，锂离子纤维会导致电池爆炸，并使电池短路。

此外，演示器只能在纯氧气中循环，而我们周围的空气还包含二氧化碳，氮气和水分，所有这些物质通常对金属电极有害。

刘说：“还有很多工作要做。”“但是我们在这里看到的结果表明，有一些方法可以解决这些问题-也许我们只需要对事物有所不同即可。”

“尽管仍有很多基础研究需要完成，以消除一些机械细节，但当前的结果非常令人激动–我们仍处于开发阶段，但是我们已经表明了解决方案与这项技术相关的一些棘手问题。” Grey说。

作者感谢美国能源部，工程和物理科学研究委员会（EPSRC），庄信万丰（Johnson Matthey）和欧盟通过玛丽居里行动（Marie Curie Actions）和石墨烯旗舰产品提供的支持。该技术已申请专利，并通过剑桥大学的商业化部门剑桥商业化。

出版物：刘涛等，“通过LiOH的形成和分解循环Li-O2电池”，《科学》，2015年10月30日：卷350号6260第530-533页； DOI：10.1126 / science.aac7730