“锂空气电池”储能最高可达锂离子电池5倍

近日，来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校、美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和加州州立大学北岭分校的研究人员在《Nature》上发表了一篇研究成果，称已经成功研发出“锂空气”电池，该技术产品最终可能成为锂离子电池的最佳替代者，有可能帮助突破电动汽车里程瓶颈。

过去的锂空气电池工作受到生命周期短和需要使用纯氧（因此称为锂-氧电池）的阻碍；因此氧气罐必须是电池系统的一部分，由于但由于所占空间大，使其一般不能用于电动车辆。而最新研发的使用外部空气的锂空气电池消除了这个问题。

这项工作的主要特点包括锂金属阳极的新保护涂层，该保护涂层可防止阳极与氧发生反应从而恶化，以及允许电池在空气中运行的新型电解质混合物。在空气环境下的测试中，该电池在700次循环中保持了高性能，远远超过了以前的技术。

“能量储存容量约为锂离子电池的3倍，而在进一步研究的情况下，可以实现5倍储能。”“这将是超越锂离子电池的重要一步。”芝加哥伊利诺伊大学首席研究员AminSalehi-Khojin表示。如果锂空气电池可以最终走向市场，电动汽车也将拥有和汽油车同样级别的续航里程！这对清洁能源未来的发展也将有着重要意义。

芝加哥伊利诺伊大学的研究人员对电池进行了测试、分析和表征，而阿贡的研究人员主要负责基础科学计算研究，以确定该系统在空气中的工作方式，以及哪些因素有助于提高循环稳定性。这项工作由约500个原子大小的系统上的数十个从头开始的分子动力学模拟组成——这样的计算很密集且需要使用领导级计算设施。

他们使用纳米材料中心（CNM）高性能计算集群在较小尺寸（约200个原子）上进行初始运行；根据Argonne材料科学部的助理材料科学家BadriNarayanan和论文作者的说法，他们每周要用上约128个核心。

在ArgonneLeadershipComputingFacility的Vesta系统上进行了大型系统（500个原子）的更长生产运行。在ALCF上，他们使用了512个计算内核，每个运行周期为3周。所有计算均使用高度平行密度泛函理论代码（VASP）进行。这些新知识对于科学家继续努力开发全尺寸锂空气电池应该是至关重要的。

以下是论文摘要的精华部分：

“然而，迄今为止，由于涉及阴极、阳极和电解质的副反应，这样的系统基本上局限于纯氧环境（锂-氧电池）并且循环寿命有限。在存在氮气、二氧化碳和水蒸气的情况下，这些副反应可能变得更加复杂。此外，由于需要储存氧气、锂-氧体系的体积能量密度对于实际应用而言可能太小。在这里，我们看到了一个包含碳酸锂基保护阳极，二硫化钼阴极和离子液体/二甲基亚砜电解质的系统，该系统在模拟空气环境中作为锂空气电池工作，循环寿命长达700次。

“我们进行计算研究，以深入了解该环境中系统的运行情况。这种在类似空气的气氛中循环寿命长的锂-氧电池的展示是超越锂离子技术向该领域发展的重要步骤，可能获得比传统锂离子电池更高的能量密度离子电池。”