據科技網站Engadget報道，由麻省理工主導的研究團隊日前公布了新研發的鋰氧電池，由于具備更輕的重量、使用固態氧元素并且自帶防止過度充電機制，其較鋰空氣電池具有明顯優勢，有望在電動汽車領域推廣，解決續航里程以及電池安全問題。

超強鋰氧電池面市 電動車續航里程或翻倍

對于電動汽車以及其他便攜電子設備領域來說，由于良好的能量重量比，鋰空氣電池(Lithium-air battery)被認為是非常有前景的技術。但其實，鋰空氣電池本身存在著嚴重的缺陷，電量以熱能的形式流失，而且電池降解速度非常快。由于使用開路電池的配置，鋰空氣電池需要昂貴的輔助設施來吸入并排出氧氣，這與傳統的密閉電池大相徑庭。

不過，一種化學電池的新變體或許能夠解決這所有的問題。它可以使用傳統方式，完全封閉，而且能夠提供像鋰空氣電池那樣的電池性能，而且完全克服了鋰空氣電池的缺點。這種新的電池理念被《自然能量》(Nature Energy)稱作“nanolithia cathode battery”(意譯：納米鋰氧陰極電池)。據介紹，新研究成果由麻省理工學院MIT核科學與工程學院教授李巨領銜，與MIT、阿貢國家實驗室、北京大學等另外幾名成員共同研究的成果。

李巨表示，鋰空氣電池的一大缺點是電池充電與放電時電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時的電壓要低1.2伏還要多，這意味著在每一次完整充電過程中，都會產生巨大的能量損失。李巨說：“在充電時，約30%的電量以熱量的形式流失，如果你充電速度過快，它都可以自燃了。”

氧—保持固態

傳統的鋰空氣電池的工作原理是這樣的：在放電過程中，鋰空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的鋰產生化學反應。在充電過程中，則產生相反的化學反應，氧被重新釋放到空氣中。在這種新的變體電池中，在充電與放電過程中，鋰元素與氧氣進行同樣的電化學反應，但整個過程中根本不需要氧元素的氣態變化。

相反，氧元素一直以固態形勢存在，并可在三種氧化還原狀態中直接切換，產生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O2以及超氧化鋰LiO2，這三種化合物以玻璃形態混合在一起。這樣的話，電壓損耗情況可以改善5倍以上，從1.2伏減為0.24伏，所以，僅有8%的電能被轉換成了熱量。李巨表示：“這意味著汽車可以快速充電，因此電池組發燙的情況會解決，不再構成安全隱患，而且電池的能源效率得到了保障。”

此外，新電池還解決了鋰空氣電池的另一大問題。由于在充電與放電過程中，化學反應使氧以氣態以及固態的形式存在，當氧經歷巨大的體積變化時，這會擾亂電池內部的電傳導路徑，嚴重損害了電池的壽命。

據介紹，新型電池的奧秘在于創建一個極小的微粒，大約在納米級別，成玻璃狀的微粒可同時包含鋰與氧，并緊緊被包圍在氧化鈷(cobalt oxide)的小矩陣里。研究人員將這些微粒稱作納米鋰氧(nanolithia)。李巨表示，在這種形態下，氧化鋰、過氧化鋰以及超氧化鋰的轉換可以完全以固態形式發生。

由于通常狀態下，納米鋰氧非常不穩定，所以研究人員將它們放入了氧化鈷的矩陣之中。氧化鈷矩陣其實是一種類似海綿狀的物質，每隔幾納米就有一個氣孔。氧化鈷矩陣一方面可以穩定住納米鋰氧，另一方面，還可以充當化學反應的催化劑。

李巨教授補充道，傳統的鋰空氣電池其實是鋰干氧電池(lithium-dry oxygen battery)，因為它完全不能處理潮濕以及二氧化碳。所以鋰空氣電池使用的輸入型空氣需要認真處理。“你需要大型輔助系統來除濕以及排除二氧化碳，這非常困難。”但由于新電池完全不需要吸入以及排除氣體，這個困擾鋰空氣電池的問題迎刃而解。

不會過度充電

研究團隊表示，新型電池自身存在一種過度充電的保護機制，在過度充電情況下，化學反應可以實現自我約束。一旦過度充電情況發生，化學物質馬上轉變成另外一種形態，從而化學反應中止。李巨教授說：“傳統電池在過度充電的情況下，可能會導致不可逆轉的結構損害，甚至爆炸。但是，對于納米鋰氧電池，我們已經連續過度充電15天了，已經是它電池容量的100倍以上，但電池一點損害都沒有。”

在循環負荷試驗中，新型電池的實驗室版本完成了120遍充電—放電的循環測試，整個過程下來，僅有2%的能量損失，這意味著這種電池或將擁有超長壽命。此外，這種電池使用非常方便，它可以像傳統的固態鋰離子那樣使用，而且不需要鋰空氣電池的各種輔助設備，可以非常快捷方便的應用于汽車、電子設備甚至是電網能量儲備領域。

另外，由于這些“固態氧”陰極比傳統的鋰離子電池陰極重量還要輕不少，因此，在同樣的陰極重量之下，新型電池可以多儲備一倍的能量。研究團隊表示，如果新型電池在設計上進一步精致，最終的能量存儲能力可以增加兩倍以上。

李巨教授表示，整個過程不添加任何昂貴的物質或者材料。研究團隊表示，新電池使用的作為液體電解質的碳酸鹽是最便宜的一種。此外，氧化鈷的重量還不到納米鋰氧重量的一半。整體而言，這種新型電池與鋰空氣電池相比，應用更為廣泛、價格更為低廉、使用更為安全。

據悉，研究團隊希望在一年內將實驗室研究成果應用到實際測試之中。俄勒岡州立大學助理教授Ji Xiulei表示：“這是一項重大突破，可能會推動氧基電池技術的重大發展。在這個系統之中，商用的碳酸鹽基電解質與過氧化物溶劑的工作效果非常好。而且，在這個封閉空間里，不會產生任何氣態氧，這非常令人印象深刻。在整個循環過程中，陰極的所有活躍物質都是固態的，這不僅意味著巨大的能量密度，而且與現狀電池聲稱設備有著巨大的兼容性。”

其他研究團體成員如下：MIT研究科學家Akihiro Kushima、Zongyou Yin，北京大學Lu Qi，阿貢國家實驗室Khalil Amine、Jun Lu。整個研究是由美國國家科學基金會以及美國能源部支持的。

(關鍵字：鋰氧電池)