充电寿命和效率大幅提升,MIT华人教授取得锂电池技术突破

时间:2016-07-27 09:48:05 来源:EEFOCUS 有0人参与

更多

锂空气电池的能量密度较高,因此被看好在电动汽车和便携设备中的前景。不过锂空气电池技术现在有一些严重的缺点:热损耗较大,容量下降较快,而且需要昂贵的元器件控制氧气的进出,因此只能做成非封闭式电池,使用起来不太方便。

现在有一种新的电池化学方法,能够克服上述问题,性能上与锂空气电池接近,并可以做成传统的全封闭式电池。


纳米氧化锂阴极电池微结构示意图

(红白颗粒表示为锂氧化合物,类似海绵物表示为氧化钴)

这种新电池技术被称为纳米氧化锂阴极电池(nanolithia cathode battery),由麻省理工学院核科学与工程系巴特尔能源联盟(Battelle Energy Alliance)教授李巨、博士后朱志(音)以及其他五名来自麻省理工学院、阿贡国家实验室、以及北京大学的研究人员发明。


李巨

李巨教授解释,锂空气电池一个问题是充电电压与放电电压不匹配,电池的充电电压比放电电压要高1.2V以上,这意味着充电时会有很大的能量损失。他说:“充电时有30%左右的电能以热量的形式消耗掉了,如果充电过快,电池真的会燃烧起来。”

固态氧元素

传统的锂空气电池在放电时会从空气中抽取氧气以完成放电的化学反应,充电时这些氧气又被释放出来。

与传统锂空气电池一样,纳米氧化锂阴极电池也是利用锂和氧的电化学反应来进行充放电。但新方法中氧元素不会再还原成氧气,而是以固态形式存在,并在三种氧化还原态中直接切换,这三种可相互转换的化合物分别是Li2O、Li2O2与LiO2,混合在一起呈玻璃态。新方法在充电时的电压损失从1.2V降低为 0.24V,仅为旧方法的五分之一,因此只有约8%的电能以热量形式损失掉了。“除了能源效率的提升,从安全的角度来说,电池包发出的热量越少,就意味着汽车充电的速度越快。”李教授说道。

新方法也解决了锂空气电池的另一个问题:每一次充放电,氧元素都要在气态和固态之间切换一次,经过多次充放电以后,电池结构中的材料导电特性大幅下降,这使得锂空气电池的寿命很有限。

新方法的诀窍就在于开发了一种纳米级的粒子,这种粒子包含了玻璃态的锂和氧元素,由氧化钴组成的矩阵将这些锂和氧元素固定住,研究人员将这种粒子称为纳米氧化锂。李教授表示,LiO2、Li2O2和Li2O在这种结构中能够以固态的形式进行转换。

氧化锂粒子通常很不稳定,所以研究人员将氧化锂粒子嵌入到氧化钴矩阵中。氧化钴矩阵像海绵一样有很多孔,但是这些孔的直径只有几个纳米。氧化钴矩阵既固定了氧化锂粒子,又可以作为其充放电形态转换的催化剂。

李教授又解释说,传统的锂空气电池是“真正的干锂氧电池(lithium-dry oxygen batteries),因为锂空气电池不能处理湿气或二氧化碳。”所以给电池的空气需要过滤。“你需要大型辅助设备来去除空气中的二氧化碳和水分,实现起来很难。”不过采用新方法,已经不需要吸收外部的氧气,从而规避了这个问题。

没有过充困扰

该研发团队表示,因为纳米氧化锂阴极电池天然有自限制功能--当过充的时候,粒子自动切换到另外一种形态的氧化锂,从而阻止了进一步充电,所以天生具备过充保护能力。“传统的电池过充以后会产生不可逆的损坏,甚至爆炸。”李教授说道,但从他们对纳米氧化锂阴极电池的”严刑拷打“来看,这种新电池在过充保护方面表现非常出色,“我们将电池的过充状态下保持了15天,充电量是电池容量的100倍,但是电池一点都没有损伤。”

在循环测试中,一个实验室型号的新电池通过了120次充放电实验,容量仅下降了2个百分点,可以看出这种电池的使用寿命将会很长。纳米氧化锂阴极电池不需要锂空气电池一样配备辅助设备,可以像传统固态锂离子电池一样安装操作,很容易用到现有设备或传统的电池包里去,在汽车、电子设备和电网储能方面都有广阔的市场前景。

研发人员表示,由于这种“固态氧”阴极比传统的锂离子电池阴极轻很多,所以相同的电池阴极重量,新电池的电容量是传统电池的两倍。李教授认为,随着进一步优化设计,新电池有可能把现在的容量再提高一倍。

李教授还强调,上述新电池的所有性能实现都不需要添加任何昂贵的元件或材料。新电池采用了碳酸盐这种“最便宜”的电解液作为电池的液态电解质,氧化钴的重量不到纳米氧化锂的一半。总之,相比锂空气电池,新电池系统“有很大的扩展性、便宜而且更安全。”李教授说。

研究组期望在一年内将这个实验室验证过的概念转换为实际可生产的原型产品。