電池驅(qū)動(dòng)未來

讓電池“吸”入空氣中的氧氣，經(jīng)過簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)放電;充電時(shí)，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(jiǎn)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(jìn)現(xiàn)實(shí)。

最近，南開大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)，為太陽能發(fā)電和存儲(chǔ)提供了新策略。

日前，介紹該研究成果的論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《美國(guó)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(fù)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(gè)運(yùn)動(dòng)健將。電池充電時(shí)，鋰離子在正極上生成，它拼命穿過電池中的電解液沖到負(fù)極;負(fù)極是呈層狀結(jié)構(gòu)的碳，上面有很多微孔，到達(dá)負(fù)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(dāng)我們使用電池的時(shí)候，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子就立刻跳脫出來，快速“跑”回到正極?；氐秸龢O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(duì)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(dá)3600瓦時(shí)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(jiǎn)單，可以直接用鋰金屬作為負(fù)極，把空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物。電池放電時(shí)，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(shí)，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(shì)——鋰-氧氣電池可以實(shí)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(shí)取用、無需存儲(chǔ)，因此這種電池可以更小、更輕。與此同時(shí)，其單位質(zhì)量可以儲(chǔ)存并釋放的能量更多。

“目前公認(rèn)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(chǎng)并用于電動(dòng)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(duì)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(rèn)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(dòng)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(jìn)去的電多，但最終能使用的電相對(duì)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(jìn)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(shí)，可溶性氧化還原媒介可能會(huì)擴(kuò)散到鋰負(fù)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(yán)重不匹配。“我們就給鋰-氧氣電池設(shè)計(jì)一個(gè)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(tuán)隊(duì)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(fù)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(dòng)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(zhǎng)光生電子和空穴壽命，同時(shí)提升氧氣還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)放電產(chǎn)物過氧化鋰的生成。充電時(shí)也可高效氧化過氧化鋰，釋放出氧氣。

改進(jìn)后的鋰-氧氣電池的放電電壓提高到3.16V，超過了無光照時(shí)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(shí)，光能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)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(shí)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(shí)驗(yàn)室，走入真正的工廠中，還有很長(zhǎng)的路要走。設(shè)計(jì)制造新型電池，也成為各國(guó)激烈競(jìng)爭(zhēng)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(shí)代已經(jīng)開啟。