超强锂氧电池面市后电动汽车续航里程或翻倍

对于电动汽车以及其他便携电子设备领域来说，由于良好的能量重量比，锂空气电池(Lithium-air battery)被认为是非常有前景的技术。但其实，锂空气电池本身存在着严重的缺陷，电量以热能的形式流失，而且电池降解速度非常快。由于使用开路电池的配置，锂空气电池需要昂贵的辅助设施来吸入并排出氧气，这与传统的密闭电池大相径庭。

不过，一种化学电池的新变体或许能够解决这所有的问题。它可以使用传统方式，完全封闭，而且能够提供像锂空气电池那样的电池性能，而且完全克服了锂空气电池的缺点。这种新的电池理念被《自然能量》(Nature Energy)称作“nanolithia cathode battery”(意译：纳米锂氧阴极电池)。据介绍，新研究成果由麻省理工学院MIT核科学与工程学院教授李巨领衔，与MIT、阿贡国家实验室、北京大学等另外几名成员共同研究的成果。

李巨表示，锂空气电池的一大缺点是电池充电与放电时电压的不匹配。电池的输出电压比充电时的电压要低1.2伏还要多，这意味着在每一次完整充电过程中，都会产生巨大的能量损失。李巨说：“在充电时，约30%的电量以热量的形式流失，如果你充电速度过快，它都可以自燃了。”

氧—保持固态

传统的锂空气电池的工作原理是这样的：在放电过程中，锂空气电池从外界吸收氧气，并与电池的锂产生化学反应。在充电过程中，则产生相反的化学反应，氧被重新释放到空气中。在这种新的变体电池中，在充电与放电过程中，锂元素与氧气进行同样的电化学反应，但整个过程中根本不需要氧元素的气态变化。

相反，氧元素一直以固态形势存在，并可在三种氧化还原状态中直接切换，产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂 LiO2，这三种化合物以玻璃形态混合在一起。这样的话，电压损耗情况可以改善5倍以上，从1.2伏减为0.24伏，所以，仅有8%的电能被转换成了热量。李巨表示：“这意味着汽车可以快速充电，因此电池组发烫的情况会解决，不再构成安全隐患，而且电池的能源效率得到了保障。”

此外，新电池还解决了锂空气电池的另一大问题。由于在充电与放电过程中，化学反应使氧以气态以及固态的形式存在，当氧经历巨大的体积变化时，这会扰乱电池内部的电传导路径，严重损害了电池的寿命。

据介绍，新型电池的奥秘在于创建一个极小的微粒，大约在纳米级别，成玻璃状的微粒可同时包含锂与氧，并紧紧被包围在氧化钴(cobalt oxide)的小矩阵里。研究人员将这些微粒称作纳米锂氧(nanolithia)。李巨表示，在这种形态下，氧化锂、过氧化锂以及超氧化锂的转换可以完全以固态形式发生。

由于通常状态下，纳米锂氧非常不稳定，所以研究人员将它们放入了氧化钴的矩阵之中。氧化钴矩阵其实是一种类似海绵状的物质，每隔几纳米就有一个气孔。氧化钴矩阵一方面可以稳定住纳米锂氧，另一方面，还可以充当化学反应的催化剂。

李巨教授补充道，传统的锂空气电池其实是锂干氧电池(lithium-dry oxygen battery)，因为它完全不能处理潮湿以及二氧化碳。所以锂空气电池使用的输入型空气需要认真处理。“你需要大型辅助系统来除湿以及排除二氧化碳，这非常困难。”但由于新电池完全不需要吸入以及排除气体，这个困扰锂空气电池的问题迎刃而解。

不会过度充电

研究团队表示，新型电池自身存在一种过度充电的保护机制，在过度充电情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦过度充电情况发生，化学物质马上转变成另外一种形态，从而化学反应中止。李巨教授说：“传统电池在过度充电的情况下，可能会导致不可逆转的结构损害，甚至爆炸。但是，对于纳米锂氧电池，我们已经连续过度充电15天了，已经是它电池容量的100倍以上，但电池一点损害都没有。”

在循环负荷试验中，新型电池的实验室版本完成了120遍充电—放电的循环测试，整个过程下来，仅有2%的能量损失，这意味着这种电池或将拥有超长寿命。此外，这种电池使用非常方便，它可以像传统的固态锂离子那样使用，而且不需要锂空气电池的各种辅助设备，可以非常快捷方便的应用于汽车、电子设备甚至是电网能量储备领域。

另外，由于这些“固态氧”阴极比传统的锂离子电池阴极重量还要轻不少，因此，在同样的阴极重量之下，新型电池可以多储备一倍的能量。研究团队表示，如果新型电池在设计上进一步精致，最终的能量存储能力可以增加两倍以上。

李巨教授表示，整个过程不添加任何昂贵的物质或者材料。研究团队表示，新电池使用的作为液体电解质的碳酸盐是最便宜的一种。此外，氧化钴的重量还不到纳米锂氧重量的一半。整体而言，这种新型电池与锂空气电池相比，应用更为广泛、价格更为低廉、使用更为安全。

据悉，研究团队希望在一年内将实验室研究成果应用到实际测试之中。俄勒冈州立大学助理教授Ji Xiulei表示：“这是一项重大突破，可能会推动氧基电池技术的重大发展。在这个系统之中，商用的碳酸盐基电解质与过氧化物溶剂的工作效果非常好。而且，在这个封闭空间里，不会产生任何气态氧，这非常令人印象深刻。在整个循环过程中，阴极的所有活跃物质都是固态的，这不仅意味着巨大的能量密度，而且与现状电池声称设备有着巨大的兼容性。”

其他研究团体成员如下：MIT研究科学家Akihiro Kushima、Zongyou Yin，北京大学Lu Qi，阿贡国家实验室Khalil Amine、Jun Lu。整个研究是由美国国家科学基金会以及美国能源部支持的。