新电池可以克服锂气电池的关键缺点

在电池阴极的新概念中，由锂和氧气化合物制成的纳米级颗粒（描绘在红色和白色）中嵌入海绵状格子（黄色）的钴氧化物中，这使它们保持稳定。

来自麻省理工学院的工程师提出了一种新的锂氧电池材料可以包装在与传统密封电池非常相似的电池中，但为其重量提供更多的能量。

锂 - 空气电池被认为是电动汽车和便携式电子设备的高度有希望的技术，因为它们具有以与其重量成比例地的高能输出。但这种电池有一些非常严重的缺点：它们将大部分喷射的能量作为热量浪费，并相对较快地降解。它们还需要昂贵的额外部件来泵出氧气进出，以与传统的密封电池非常不同的开放式电池配置。

但是，电池化学的新变化，可用于传统的完全密封的电池，承诺与锂空气电池相似的理论性能，同时克服所有这些缺点。

新的电池概念称为纳米大道电池，在Ju Li，MIT核科学与工程的Battelle Energy Alliance教授Ju Li的杂志中描述了在Jul Li的纸张中; Postdoc zhi zhu;和中国麻省理工学院，阿尔冈国家实验室和北京大学的其他五个。

LI解释的锂气电池缺点之一，是充电和排出电池的电压之间的不匹配。电池的输出电压大于1.2伏，低于用于向它们充电的电压，这表示每个充电循环中产生的显着功率损耗。“你将30％的电能浪费在充电中的热量。… 如果你太快给它收费，它实际上可以烧伤，“他说。

保持坚实

传统的锂空气电池从外部空气中汲取氧气，在放电循环期间与电池锂引发化学反应，然后在充电循环中的反应期间再次释放该氧气。

在新的变体中，在充电和放电期间，锂和氧气之间发生同样的电化学反应，但它们在没有让氧气恢复到气态形状的情况下进行。相反，氧气在其三种氧化还原态之间直接转化在其三种氧化还原状态之间，同时以三种不同的固体化合物，Li2O，Li 2 O 2和LiO 2的形式结合，它们以玻璃的形式混合在一起。这将电压损耗降低了五倍，从1.2伏到0.24伏，因此只有8％的电能变为热量。“这意味着汽车的速度更快，因为电池组的热量除去了安全问题，以及能效好处，”李说。

这种方法有助于克服锂气电池的另一个问题：随着涉及充电和排出的化学反应转化气态和固体形式之间的氧气，材料经过巨大的体积变化，可以破坏结构中的电传导路径，严重限制其寿命。

新配方的秘诀在于在纳米刻度（亿米）的纳米尺度（亿米）中产生微量颗粒，其含有玻璃形式的锂和氧气，紧密地限制在​​氧化钴基质内。研究人员将这些颗粒称为纳米粒子。在这种形式中，他说，在LiO 2，Li 2 O 2和Li2O之间的过渡可以完全在固体材料内部进行。

纳米粒子通常是非常不稳定的，因此研究人员将它们嵌入钴氧化物基质中，用孔的海绵状材料覆盖在横跨几纳米。基质稳定颗粒，并用作其转化的催化剂。

常规锂气电池Li解释，是“真正锂干氧气电池，因为它们真的无法处理水分或二氧化碳，”因此必须仔细地从供给电池的进入空气中仔细擦洗。“你需要大型辅助系统来消除二氧化碳和水，这很难这样做。”但是新电池，永远不需要在任何外部空气中绘制，避免这个问题。

没有过度收费

该团队表示，新电池也具有固有的保护，因为这种情况下的化学反应是自然的自限制 - 当过充电时，反应变为妨碍进一步活性的不同形式。“通过典型的电池，如果你过充电，它可能会导致不可逆转的结构损坏甚至爆炸，”李说。但随着纳米岩电池，“我们已经过充电了15天，达到了百倍的能力，但根本没有伤害。”

在循环试验中，新电池的实验室版本通过120个充电放电循环，并且表明这种电池可能具有长寿的寿命。因为可以像传统的固体锂离子电池一样安装和操作这种电池，因为没有锂 - 空气电池所需的任何辅助部件，它们可以很容易地适应现有的汽车，电子设备或传统的电池组设计，甚至甚至网格级电力存储。

由于这些“固体氧气”阴极比传统的锂离子电池阴极更轻，所以该团队说，新设计可以存储给定的阴极重量的能量量的两倍。随着设计的进一步改进，李说，新电池最终可能再次加倍。

根据LI的说法，所有这些都是在不添加任何昂贵的部件或材料的情况下完成的。他说，他们用作该电池中的液体电解质的碳酸盐“是电解质最便宜的电解质”。氧化钴组分的重量小于纳米血症组分的50％。总的来说，新的电池系统是“非常可扩展，便宜，更安全”，而不是锂电池。

该团队预计将从该实验室规模证明概念证明到一年内的实际原型。

“这是一个基于氧气电池的范式的基础突破，”俄勒冈州立大学化学助理教授Xiulei···············“在该系统中，基于商业碳酸盐的电解质与溶剂化超氧化物梭效果很好，这令人印象深刻，并且可能与该密封系统中的任何气态O2有关。整个循环整个阴极的所有活性质量都是坚固的，这不仅具有大的能量密度，而且呈现与电池制造基础设施的兼容性。“

研究团队包括麻省理工学院研究科学家Akihiro Kushima和宗友尹;北京大学陆琦;伊利诺伊州阿尔冈国家实验室的Khalil Amine和Jun Lu。该工作得到了国家科学基金会和美国能源部的支持。

出版物：Zhi Zhu等，“阴离子氧化还原纳米阴极用于锂离子电池，”自然能源1，物品编号：16111（2016）; DOI：10.1038 / nenergy.2016.111