Nature：解除安全隱患，新型鋰電池可以不用純氧

由於有著比較高的理論比能量，鋰空氣電池被認為是很有希望的鋰離子電池替代品。然而，迄今為止研究的鋰空氣電池主要用於純氧環境（鋰-氧電池），並且由於涉及陰極、陽極和電解質的副作用而使得循環壽命非常有限。而如果是在有氮氣、二氧化碳和水蒸氣存在的條件下，這些副反應會變得更加複雜。此外，由於需要儲存氧氣，鋰-氧電池的體積能量密度在實際應用中可能太小了。

受保護陽極的表徵

（來源：Nature）

來自美國芝加哥伊利諾伊州立大學的Amin Salehi-Khojin教授、阿貢國家實驗室的Larry A. Curtiss教授領導的研究小組，發表了一篇關於新型鋰空氣電池的論文（DOI：10.1038/nature25984）。論文中報告一個新的電池系統，包括了一個含碳酸鋰保護層的陽極、一個二硫化鉬陰極以及二甲基亞碸和離子液體混合的電解液。它們在模擬空氣環境中工作，循環壽命可長達700次。他們經過計算研究，深入了解該環境中系統的運行情況。這種在類空氣環境中工作並擁有很長循環壽命的鋰-空氣電池是目前突破鋰電池技術瓶頸的關鍵一步，可能由此獲得比傳統鋰離子電池高得多的比能量密度。

在鋰空氣電池系統中的陰極性能

（來源：Nature）

在之前的研究之中，科學家們已經發明了一種新型鋰電池，可以在純氧中運行。因為其能量理論計算上會是普通鋰離子電池的10倍左右而廣受關注，並獲得了成為下一代新型電池的入場資格證。由鋰-氧電池供電的電動汽車將能夠在單次充電後行進得更遠，因為這種電池可以比相同重量的鋰離子電池容納更多能量。但是由於空氣中的氮氣、二氧化碳和水蒸氣會與電池電極發生反應，形成沉積物，因而如果直接使用空氣會導致載荷能力迅速降低。由於氧氣是鋰空氣電池中電化學反應唯一所需的空氣組分，因此研究人員使用純氧氣而非空氣送入電池。雖然這消除了副反應，但是對於未來應用卻並不實際，不僅增加純氧儲存的空間和重量，也使得安全隱患成為不可避免的嚴重問題。為了解決這個問題，Amin Salehi-Khojin團隊設計了新的電極和電解液。研究人員將碳酸鋰和碳沉積到鋰晶元上，該塗層允許鋰離子通過，同時防止二氧化碳、氧氣、氮氣和水在電極表面接觸高活性的鋰。他們使用二硫化鉬納米薄片製造陰極，以將陰極處副反應影響最小化。另外，研究人員還用溶有鋰鹽的二甲基亞碸/離子液體混合液作為電解質填充電池。

陰極的電子顯微鏡圖

（來源：Nature）

Salehi-Khojin說：「這種設計的美妙之處在於，我們在使用空氣的同時還能獲得純氧氣氛的所有好處。」在沒有保護層的情況下，電池會在模擬空氣中進行11次充電循環後報廢；而使用新設計保護層的電池系統，在模擬空氣中可以運行700次充電循環。

通訊作者：

Amin Salehi-Khojin教授

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

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