研究人員成功展示了如何克服阻礙所謂“終極”電池實(shí)際發(fā)展的問題。
　　科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了一款具有非常高能量密度、效率高于90%、且到目前可循環(huán)充電2000次以上的鋰-氧電池實(shí)驗(yàn)室樣本，表明了阻礙這種器件的發(fā)展的各種問題有望得以解決。
　　鋰-氧電池，或者稱為鋰-空氣電池，因其理論能量密度為鋰離子電池的10倍以上，被稱作是“終極”電池。如此高的能量密度可與汽油相媲美——裝配有這種電池的電動(dòng)汽車單次充電從倫敦行駛到愛丁堡的成本只有市面上電動(dòng)汽車的1/5，且其重量也只有1/5。
　　然而，與其他新一代電池一樣，在鋰-空氣電池取代汽油之前仍有幾個(gè)實(shí)際問題需要解決。
　　現(xiàn)在，劍橋大學(xué)（University of Cambridge）研究人員證明了其中的一些障礙是可以克服的，并開發(fā)出了一款相比于先前電池而言具有更高容量、更高能量密度及更高穩(wěn)定性的鋰-氧電池實(shí)驗(yàn)室樣本。
　　這個(gè)樣本依賴于由石墨烯制得的高度多孔的蓬松碳電極，以及用于改變電池當(dāng)中起作用的化學(xué)反應(yīng)的添加劑，使其更加穩(wěn)定、更加高效。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊上，雖然被認(rèn)為是很有希望的，但研究人員慎重表示仍然需要至少10年時(shí)間才可能獲得實(shí)用的鋰-空氣電池。
　　“對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)，我們已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，并提出了全新的研究領(lǐng)域——我們并未解決化學(xué)當(dāng)中所有的固有問題，但是我們的研究表明了實(shí)際器件的發(fā)展路線。”該論文通訊作者、劍橋大學(xué)化學(xué)系教授Clare Grey如是說。
　　我們?nèi)粘Ｊ褂玫脑S多技術(shù)都在逐漸變小、變快、變得更加便宜——電池是個(gè)明顯的例外。除了能夠維持?jǐn)?shù)天而無需充電的智能手機(jī)以外，制備更好電池的挑戰(zhàn)還阻礙了兩項(xiàng)主要清潔技術(shù)的廣泛應(yīng)用：電動(dòng)汽車和太陽能發(fā)電的并網(wǎng)。
　　該論文第一作者、化學(xué)系Tao Liu博士說：“最簡(jiǎn)單的電池由三部分構(gòu)成：正極、負(fù)極、電解液。”
　　對(duì)于目前筆記本電腦及智能手機(jī)當(dāng)中采用的鋰離子電池而言，負(fù)極是石墨（碳的一種形式），正極為金屬氧化物，比如氧化鋰鈷，電解液為溶解有鋰鹽的有機(jī)溶劑。電池的作用取決于鋰離子在兩電極間的運(yùn)動(dòng)。雖然鋰離子電池很輕，但其容量會(huì)隨時(shí)間衰減，另外，能量密度相對(duì)較低，這也意味著需要經(jīng)常充電。
　　過去的十多年間，研究人員開發(fā)出了各種鋰離子電池的替代品，鋰-空氣電池被認(rèn)為是新一代儲(chǔ)能的終極品，因?yàn)槠淠芰棵芏葮O高。然而，先前展示的樣本效率低、性能差、會(huì)發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)、且只能在純氧當(dāng)中進(jìn)行循環(huán)。
　　Liu、Grey等人在非水基鋰-空氣電池上采用了與之前的嘗試非常不同的化學(xué)劑，采用氫氧化鋰（LiOH）取代過氧化鋰（Li2O2）。隨著水的加入以及過氧化鋰作為“媒介”，這種電池顯示出了少得多的導(dǎo)致電池失效的化學(xué)反應(yīng)，從而使其在多次充放電循環(huán)后表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。
　　通過精確構(gòu)造電池結(jié)構(gòu)，將其改變成高度多孔的石墨烯，添加過氧化鋰，并改變電解液成分，研究人員能夠?qū)⒊浞烹婇g的電壓差減少至0.2 V。電壓差越小意味著電池效率越高——之前的各種鋰-空氣電池的電壓差只能降到0.5~1.0 V，而0.2V更接近于鋰離子電池，相當(dāng)于有93%的能量效率。
　　高度多孔的石墨烯電極還大大提高了樣本的容量，雖然這只在一定充放電比率下獲得的。其他仍有待解決的問題包括有：尋找一種方法來保護(hù)金屬電極，防止形成細(xì)長(zhǎng)的鋰金屬纖維，也就是所謂的樹突，一旦長(zhǎng)得過多甚至使電池短路可能會(huì)引起爆炸。
　　此外，該樣本只能在純氧下進(jìn)行循環(huán)，而周圍的空氣當(dāng)中還含有二氧化碳、氮?dú)夂退?，這些都會(huì)對(duì)金屬電極有害。
　　Liu說：“還有很多工作要做。但我們?cè)诖颂幙吹降倪@些說明有很多方法可以解決這些問題——也許我們只需要進(jìn)行一點(diǎn)點(diǎn)不同的嘗試。”
　　Grey說：“盡管仍有大量的基礎(chǔ)性研究有待完成，為了解決部分力學(xué)細(xì)節(jié)，目前的研究結(jié)果非常令人興奮——雖然還處于發(fā)展階段，但我們?nèi)匀环浅Ｅd奮，但我們已經(jīng)表明了有很多解決方案可以用于解決該技術(shù)相關(guān)的一些棘手問題。”