鋰空氣電池設(shè)計有望增加儲能、電動汽車?yán)m(xù)航里程

鑒于鋰離子電池在現(xiàn)代世界中發(fā)揮的重要作用，研究人員不斷嘗試開發(fā)更安全、更節(jié)能的電池技術(shù)。

在最近發(fā)表的一篇論文中，由美國能源部 （DOE） 阿貢國家實驗室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊揭示了他們對固體電解質(zhì)的關(guān)鍵見解，他們正在測試用于全固態(tài)電池。

與傳統(tǒng)鋰離子電池中使用的液體電解質(zhì)不同，全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)而不是液體電解質(zhì)，既不揮發(fā)也不易燃。它們正在成為未來開發(fā)輕質(zhì)、能量密度高、更持久且更安全的鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)。

這種設(shè)計可以從根本上延長電動汽車的行駛里程，同時顯著減輕電池的重量和尺寸。

鋰空氣電池內(nèi)部新電池使用基于含鋰納米顆粒的固體復(fù)合電解質(zhì)。電解質(zhì)嵌入由陶瓷-聚乙烯 （CPE） 氧化物聚合物制成的基質(zhì)中。

原理圖顯示了由鋰金屬陽極、空氣基陰極和固體陶瓷聚合物電解質(zhì) （CPE） 組成的鋰空氣電池單元。放電和充電后，鋰離子 （Li+） 從陽極進入陰極

這種固態(tài)鋰空氣電池是第一個在室溫下實現(xiàn)四電子化學(xué)反應(yīng)的電池。在四電子化學(xué)反應(yīng)中，四個電子在兩種化學(xué)物質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。這種類型的反應(yīng)雖然在電化學(xué)等各個領(lǐng)域都很常見，但在室溫下運行的鋰空氣電池中是一項前所未有的壯舉。大多數(shù)鋰反應(yīng)涉及一個或兩個電子。

涉及更多電子的反應(yīng)會產(chǎn)生更大的能量儲存。四電子反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋰 （Li?O） 而不是傳統(tǒng)的超氧化物鋰 （LiO2） 或過氧化鋰 （Li2O2），這兩者都限制了能量輸出。

這種化學(xué)成分中的一個關(guān)鍵元素是一種稱為磷酸三鉬 （Mo?P） 的強效催化劑。該催化劑有助于關(guān)鍵的四電子轉(zhuǎn)移，同時確保反應(yīng)在長期使用中保持穩(wěn)定。

研究人員表示，隨著這一發(fā)展，他們的鋰空氣設(shè)計可以達到創(chuàng)紀(jì)錄的 1,200 Wh/kg 能量密度。該密度比當(dāng)今鋰離子電池的密度高 4 倍。

什么是 LLZO？

研究表明，由鋰鑭鋯石榴石（LLZO，或擁有化學(xué)學(xué)位的聽眾 Li7La3Zr2O12）制成的固體電解質(zhì)是這種電池的最佳候選者。這種材料因其強度和耐用性而脫穎而出。它還因其導(dǎo)電性或充電和放電過程中在電極之間輕松移動鋰離子而著稱。

為了使固體電解質(zhì) LLZO 變得更好，研究人員一直在嘗試添加少量元素，如鋁或鎵，以提高 LLZO 傳導(dǎo)鋰離子的能力。這個過程被稱為興奮劑。摻雜是指添加少量的另一種元素來改變和改善材料的性能。

摻雜鋁和鎵有助于 LLZO 保持最對稱的結(jié)構(gòu)并創(chuàng)造空隙。這些空間使鋰離子更容易從電極中逸出并提高導(dǎo)電性。然而，摻雜會使 LLZO 與鋰金屬發(fā)生更強的反應(yīng)，從而縮短電池的循環(huán)壽命。然而，研究人員在這里表明，電池可以充電至少 1,000 次充放電循環(huán)。

在這項研究中，研究人員檢查了當(dāng)含有鋁或摻鎵的 LLZO 接觸金屬鋰時會發(fā)生什么。了解 LLZO 為什么根據(jù)添加的摻雜劑而表現(xiàn)不同，將有助于科學(xué)家為穩(wěn)定可靠的固態(tài)電池設(shè)計更好的材料。

鎵摻雜對 LLZO 的影響

摻鎵 LLZO 很有吸引力，因為它的離子電導(dǎo)率比摻鋁 LLZO 高得多。然而，這些摻雜劑在與鋰接觸時的反應(yīng)性使研究人員確定，為了使用鎵，需要一個界面層來保護和保持其導(dǎo)電性，但會阻止其反應(yīng)性。

使用計算和實驗技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)鎵往往更容易從電解質(zhì)中移出，并且更傾向于與鋰反應(yīng)形成合金。這會導(dǎo)致鎵的數(shù)量減少。鎵的損失會導(dǎo)致鋰改變其結(jié)構(gòu)并降低離子電導(dǎo)率。相反，摻鋁的 LLZO 保持完整。

“了解摻雜劑如何與鋰反應(yīng)很重要，”阿貢物理學(xué)家、該論文的首席研究員彼得·扎波爾 （Peter Zapol） 說?！斑@是對良好電解質(zhì)的另一個要求，而不僅僅是高導(dǎo)電性?！?/p>

在這種情況下，研究人員能夠測量摻雜材料的關(guān)鍵特性。同時，他們從原子級的角度了解了鋰金屬和固體電解質(zhì)之間的界面上發(fā)生了什么。

研究人員使用一種稱為密度泛函理論的強大計算機方法（一種研究原子和電子在材料中的行為的量子力學(xué)建模方法），能夠預(yù)測各種摻雜劑的穩(wěn)定性以及它們將如何與其他物質(zhì)反應(yīng)。

在考慮用于下一代電池的所有技術(shù)中，鋰空氣電池具有最高的預(yù)計儲能密度。因此，這項技術(shù)將大大增加電池可以存儲的能量。使用固態(tài)電解質(zhì)而不是液體電解質(zhì)也將大大減少火災(zāi)引起的安全問題。

此外，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計在室溫下工作的鋰基電池化學(xué)開辟了新思路。這些未來的設(shè)計可以實現(xiàn)更大的能量存儲。