与锂离子电池相比 锂空气电池的新设计可以提供更长的续航里程

许多电动汽车车主都希望有一个电池组，一次充电就可以为他们的车辆供电超过一千英里。诺伊理工学院(IIT)和美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员开发了一种锂空气电池，可以使这一梦想成为现实。该团队的新电池设计有朝一日也可以为国产飞机和长途卡车提供动力。

这种锂空气电池的主要新成分是固体电解质，而不是通常的液体品种。含有固体电解质的电池不受锂离子和其他电池类型中使用的液体电解质的安全问题的影响，这些液体电解质可能会过热并着火。

更重要的是，该团队与固体电解质的电池化学反应可以将能量密度提高到电池>锂离子电池的四倍，这意味着更长的行驶里程。

“十多年来，阿贡和其他地方的科学家一直在加班加点地开发一种利用空气中氧气的锂电池，”阿贡杰出研究员拉里柯蒂斯说。“锂空气电池具有最高的预计能量密度，这是正在考虑用于锂离子以外的下一代电池的任何电池技术。

在过去的锂空气设计中，锂金属阳极中的锂在放电过程中通过液体电解质与氧气结合，产生过氧化锂(Li2O2)或超氧化物(LiO2)在阴极。然后过氧化锂或超氧化物在充电过程中被分解回其锂和氧成分。这种化学序列根据需要储存和释放能量。

该团队的新型固体电解质由陶瓷聚合物材料组成，该材料由相对便宜的纳米颗粒形式的元素制成。这种新固体能够发生化学反应，产生氧化锂(Li2O)出院时。

“超氧化物锂或过氧化物的化学反应只涉及每个氧分子储存的一个或两个电子，而氧化锂的化学反应涉及四个电子，”Argonne化学家Rachid Amine说。储存的电子越多意味着更高的能量密度。

该团队的锂空气设计是第一个在室温下实现四电子反应的锂空气电池。它还使用周围环境中的空气提供的氧气运行。空气运行的能力避免了对氧气罐操作的需要，这是早期设计的问题。

该团队采用了许多不同的技术来确定实际上正在发生四电子反应。一项关键技术是阴极表面上放电产物的透射电子显微镜(TEM)，这是在阿贡的纳米材料中心进行的，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。TEM图像为四电子放电机制提供了有价值的见解。

过去的锂空气测试电池的循环寿命非常短。该团队通过构建和操作测试单元1000次循环来证明其新电池设计的情况并非如此，证明了其在重复充电和放电中的稳定性。

“随着进一步发展，我们预计我们的锂空气电池新设计也将达到每公斤1200瓦时的能量密度，”柯蒂斯说。“这几乎是锂离子电池的四倍。

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