Nature:重大突破,鋰空氣電池在美國研發成功!

2021-01-15 材料科學與工程

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近日，來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校、美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和加州州立大學北嶺分校的研究人員在《Nature》上發表了一篇研究成果，稱已經成功研發出「鋰空氣」電池，該技術產品最終可能成為鋰離子電池的最佳替代者，有可能幫助突破電動汽車裡程瓶頸。


論文連結：

https://www.nature.com/articles/nature25984


過去的鋰空氣電池工作受到生命周期短和需要使用純氧（因此稱為鋰-氧電池）的阻礙；因此氧氣罐必須是電池系統的一部分，由於但由於所佔空間大，使其一般不能用於電動車輛。而最新研發的使用外部空氣的鋰空氣電池消除了這個問題。

     

 這項工作的主要特點包括鋰金屬陽極的新保護塗層，該保護塗層可防止陽極與氧發生反應從而惡化，以及允許電池在空氣中運行的新型電解質混合物。在空氣環境下的測試中，該電池在700次循環中保持了高性能，遠遠超過了以前的技術。



圖  緻密的陽極保護圖層（比例尺： 1 微米）


「能量儲存容量約為鋰離子電池的3倍，而在進一步研究的情況下，可以實現5倍儲能。」「這將是超越鋰離子電池的重要一步。」芝加哥伊利諾伊大學首席研究員Amin Salehi-Khojin表示。如果鋰空氣電池可以最終走向市場，電動汽車也將擁有和汽油車同樣級別的續航裡程！這對清潔能源未來的發展也將有著重要意義。


芝加哥伊利諾伊大學的研究人員對電池進行了測試、分析和表徵，而阿貢的研究人員主要負責基礎科學計算研究，以確定該系統在空氣中的工作方式，以及哪些因素有助於提高循環穩定性。這項工作由約500個原子大小的系統上的數十個從頭開始的分子動力學模擬組成——這樣的計算很密集且需要使用領導級計算設施。


圖 鋰-空氣電池的陽極，陰極和電解質的計算研究


他們使用納米材料中心（CNM）高性能計算集群在較小尺寸（約200個原子）上進行初始運行；根據Argonne材料科學部的助理材料科學家Badri Narayanan和論文作者的說法，他們每周要用上約128個核心。


  在Argonne Leadership Computing Facility的Vesta系統上進行了大型系統（500個原子）的更長生產運行。在ALCF上，他們使用了512個計算內核，每個運行周期為3周。所有計算均使用高度平行密度泛函理論代碼（VASP）進行。這些新知識對於科學家繼續努力開發全尺寸鋰空氣電池應該是至關重要的。


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綜合自儲能科學與技術 cnbeta nature等。

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