IIT利用新型催化劑開發鋰空氣電池 充放電1200次仍保持初始性能

2020-12-05 中國科技新聞網

據外媒報導，美國科學家使用磷化鉬(Mo3P)作為充放電反應催化劑，證明了鋰空氣電池可以具有更好的能量和穩定性能。

（圖片來源：pv-magazine）

鋰氧電池或鋰空氣電池是改善當今儲能技術的眾多途徑之一。在研究過程中，鋰和其他金屬空氣電池因具有高能量密度潛力而備受青睞，但效率低下和循環壽命較短已被證明是開發這項技術的棘手問題。利用催化劑來加速電極上的反應，被視為提高性能的一種方法。然而，尋找一種能同時加速充放電機制的材料則是另一項挑戰，以往報導的許多有效催化劑都依賴於價格昂貴的材料，如鉑和金。

伊利諾伊理工學院(IIT)領導的研究團隊表示：「設計一種高活性催化劑，以最大限度地減少能量壁壘(過量輸入能量)，在正極上形成和分解過氧化鋰（Li2O2）納米顆粒，是開發這項技術的關鍵挑戰。」

IIT研究團隊著手設計這樣一種催化劑。在以前的研究中，Mo3P已經顯示出作為類似反應催化劑的前景，所以要從評估其在鋰空氣電池中的性能入手。該團隊定製設計並製造了一個三電極電池，然後是完整的鋰空氣電池。

在使用Mo3P催化劑的情況下，電池放電和充電的過電位分別為80mV和270mV，在目前報導的鋰空氣電池中比較低。而且，電池經過1200次循環後，幾乎可以保持100%的初始性能。詳盡的性能分析顯示，在循環過程中，負極周圍會形成一層穩定的碳酸鋰(Li2CO3)，可阻止與空氣和電解液中的成分發生其他不必要的反應。該催化劑上還形成了一層氧化鉬(MoO)，從而進一步提高電池性能。

然而，經過1000次循環後，電池開始失去性能，該團隊將其歸因於電荷氧化還原介質的失活。研究人員相信，經過進一步研究，Mo3P催化劑將在儲能方面具有良好的應用前景。他們表示：「我們的鋰空氣電池具有獨特的電子和結構特性，此次開發的表面重建Mo3P催化劑具有動力學穩定氧化覆蓋層，在可持續儲能系統發展方面具有重要的應用前景。」

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    於是，理論上能量密度遠遠大於鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關注。 作為鋰離子電池的理想替代者，從理論上看，鋰空氣電池的蓄電能力比目前性能最好的鋰離子電池仍然要高出10倍。 甚至可以提供與汽油同等的能量，另外這種電池從空氣中吸收氧氣充電，更環保，更小、更輕。
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    實驗證明該電池可連續放電50000mAh/g（空氣極的單位質量）。 　　該技術極有望用於汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補充負極的金屬鋰的話，汽車可實現連續行駛且無需充電等待時間。可以從用過的水性電解液中輕鬆提取金屬鋰，鋰能夠反覆使用。可以說是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。
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