NIMS和SoftBank發(fā)現(xiàn)，高能量密度鋰空氣電池的循環(huán)壽命主要受電解液體積與電極面積容量之比的影響。研究小組開發(fā)了一種技術(shù)來量化電池電化學反應(yīng)中產(chǎn)生的副反應(yīng)產(chǎn)物和氧氣。利用這項技術(shù)，研究小組能夠精確地評估反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的整體平衡，從而得出這一發(fā)現(xiàn)。這些結(jié)果有助于實用鋰空氣電池的研發(fā)。

鋰空氣電池是一種金屬空氣電化學電池，陽極（負極）采用了金屬鋰，而陰極（正極）材料，則是空氣中的氧，放電過程中，負極的金屬鋰被氧化，正極的氧氣被還原，從而在外電路中產(chǎn)生電流。原先在1970年代提出鋰空氣電池可能用作電動汽車的電源，由于材料技術(shù)的進步和增長的對于環(huán)境安全和對于替代石油的能源的需求，在2000年代末鋰空氣電池重新激發(fā)了科學興趣。

鋰空氣電池具有重量輕、能量容量大、理論能量密度是目前鋰離子電池能量密度的數(shù)倍等優(yōu)點，有發(fā)展成為終極可充電池的潛力。由于這些潛在的優(yōu)勢，他們預(yù)計將適用于廣泛的技術(shù)，如無人機，電動汽車和家庭電力存儲系統(tǒng)。

盡管LAB由于其極高的理論能量密度而吸引了很多研究，但在完全過渡之前，仍然需要克服各種技術(shù)限制。眾所周知，LAB的性能主要由發(fā)生在陰極表面的電化學反應(yīng)決定。由于其比表面積和孔隙率高，重量輕，制造成本低，人們對各種碳及其在LAB中用作陰極材料的廣泛興趣引起了人們的興趣。

NIMS軟銀先進技術(shù)開發(fā)中心成立于2018年，一直在開展鋰空氣電池研究，以實現(xiàn)鋰空氣電池在各種技術(shù)中的實際應(yīng)用，包括手機基站、物聯(lián)網(wǎng)和HAPS（高空平臺站）。為此，延長電池的循環(huán)壽命尤為重要。目前對鋰空氣電池循環(huán)壽命的評價主要集中在對單個電池組件（如電極材料）的評價上，而對實際制造功能性高能量密度鋰空氣電池并評價其循環(huán)壽命的研究較少。此外，只有一些方法可用于定量測量電池電化學反應(yīng)中涉及的物質(zhì)（例如，用作陰極活性材料的氧和氣體副產(chǎn)物）。由于這些局限性，反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的整體平衡無法測量，因此很難確定影響電池循環(huán)壽命的主要因素，并減緩了實用鋰空氣電池的研發(fā)。

該研究小組最近開發(fā)了一種技術(shù)，能夠量化電化學反應(yīng)中使用的氧氣以及充放電循環(huán)中產(chǎn)生的氣體和揮發(fā)性物質(zhì)。研究小組隨后利用這項技術(shù)精確分析了NIMS軟銀先進技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)的高能量密度鋰空氣電池中發(fā)生的復雜電化學反應(yīng)。

因此，研究小組首次發(fā)現(xiàn)鋰空氣電池的循環(huán)壽命主要受電解液體積與電極面積容量之比的影響。這意味著，在保持電解液體積不變的同時，通過降低電極的面積容量，可以延長電池的循環(huán)壽命。然而，降低電極面積容量也會導致電池的能量密度降低。因此，在設(shè)計電池和評價電池材料的過程中，開發(fā)實用的鋰空氣電池需要優(yōu)化配比參數(shù)。

鋰-氧二室測試電池和析出氣的表征工具。

在未來的研究中，我們打算開發(fā)減少電池中電化學反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)品數(shù)量的方法，從而加速NIMS軟銀先進技術(shù)開發(fā)中心將鋰空氣電池投入實際使用的努力。

這項研究于2020年12月2日發(fā)表在在線期刊RSCAdvances上。

關(guān)于鋰空氣電池的其他研究

在《應(yīng)用催化B：環(huán)境》發(fā)表的一項研究中，來自韓國和泰國的研究小組描述了他們?nèi)绾螌⒘蚧団捈{米薄片涂覆到摻雜有硫的石墨烯陰極上。結(jié)果：電極既具有改善的導電性又具有催化活性。

“這是一種非常有趣的設(shè)計方法，”英國能源技術(shù)研究機構(gòu)EnergyLancaster的負責人HarryHoster說。

電池通常通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。對于鋰空氣電池，來自陽極的鋰被氧化，而氧分子在陰極被還原。所得產(chǎn)物為過氧化鋰（Li2O2）。

據(jù)說陰極是魔術(shù)發(fā)生的地方。由于氧氣可以從空氣中連續(xù)供應(yīng)，而不是以有限的量存儲在電池中，因此鋰空氣電池在理論上可以提供其鋰離子表親的能量密度的10倍。而且，積聚在石墨陰極上的過氧化鋰越多，電池的充電容量就越高。

Hoster說，用硫修飾碳陰極可以使過氧化鋰更容易粘附在陰極上。因為硫原子提供了局部的膠點，是粘附物體的固定點。

韓國大邱慶北科技學院的物理化學家SangarajuShanmugam也是該論文的合著者之一，他說，硫還為電池提供了更多好處。因為硫原子的大小比碳原子大得多，所以摻雜陰極的硫會擴展多孔碳晶格結(jié)構(gòu)，從而增加其表面積。“當發(fā)生這種情況時，電子可以在石墨烯中更好地運動，因此可以改善導電性。”Shanmugam說。

用硫化鎳鈷納米薄片涂覆陰極表面通過增加催化活性提供了額外的促進作用。Shanmugam解釋說：“硫與硫化鈷鎳中的金屬部位發(fā)生相互作用，并且石墨烯表面與納米薄片之間存在很強的協(xié)同作用。”

薄片還在陰極表面和所得的過氧化鋰放電產(chǎn)物之間形成保護層，該產(chǎn)物具有高度腐蝕性。結(jié)果是電池的可循環(huán)性大大提高了-剛超過1,700小時或兩個月以上，Shanmugam說這是其發(fā)明的“最強項”。比放電容量也是“超高”，接近每克14,200毫安小時（mAh/g）。該新技術(shù)正在韓國申請專利。

蘭開斯特的主持人說：“他們提出的材料非常非常有趣……而且看來他們是第一個將其引入社區(qū)的人。”但是他對結(jié)果的樂觀程度持謹慎態(tài)度。

他說，該系統(tǒng)需要進行更強大的測試。為了正確地測量電催化活性，研究人員應(yīng)該以較高的速度（而不是較低的速度）進行循環(huán)伏安圖（一種測試，其中施加外部電壓并進行變化以查看電池電流如何相應(yīng)變化）。此外，他們進行的放電實驗太淺（以1,000mAH/g的比容量停止）不能被認為是適當?shù)膲毫y試，因為從長遠來看，電池不會產(chǎn)生過多的副產(chǎn)品，而這些副產(chǎn)品會導致電池在充電時褪色。

他還強調(diào)了電池的低充電效率，這是您獲得的能量與充電時所消耗能量的比較。由于發(fā)熱或在電極上發(fā)生有害的副反應(yīng)，可能導致能量損失。大約為65％，比我們預(yù)期的鋰離子電池低15％至25％。這是繼續(xù)困擾鋰空氣電池使用的眾多問題之一。其他包括處理形成的化學侵蝕性過氧化鋰副產(chǎn)物，該副產(chǎn)物需要高充電電壓才能去除，會分解電解質(zhì)，進而限制電池的循環(huán)壽命。

純鋰陽極也帶來問題。高度反應(yīng)性的鋰當暴露于水和其他元素時會燃燒。然后是空氣本身的問題。雖然在實驗室中為電池供氧可以正常工作，但對于在道路上行駛的電動汽車來說卻是不可行的。使用空氣是目標，但您首先必須去除對電池有害的雜質(zhì)，例如二氧化碳和水蒸氣。

這些發(fā)展挑戰(zhàn)已削弱了近年來鋰空氣電池的熱情，IBM和美國資助的儲能研究聯(lián)合中心等公司放棄了對其他下一代電池類型的研究。甚至在向電池研究投入了6500萬英鎊的英國法拉第研究所（FaradayInstitution）的最后一輪融資中，也決定投資于鋰硫電池而非鋰空氣電池，因為他們認為前者“也有風險，但更現(xiàn)實”。

他說：“這是一個令人震驚的現(xiàn)實……鋰氧電池有點像核聚變在大型技術(shù)中的作用。有很多潛在的勝利，但是有很多失敗的結(jié)局。”

但是，由于鋰空氣電池的能量密度可能是傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度的10倍，因此仍有很大的差距。但是必須懷抱期望。