麻省理工研究出鋰氧電池 電動車續航里程或翻倍

據科技網站Engadget報道，麻省理工學院領導的研究團隊最近宣布了最新開發的鋰氧電池，該電池比鋰空氣電池具有明顯的優勢，因為它重量更輕，使用固體氧，并且具有防止過充電的自身機制。有望在電動汽車領域推廣，解決續航里程和電池安全問題。

對于電動汽車和其他便攜式電子設備，鋰空氣電池因其良好的能量重量比而被認為是一種非常有前途的技術。但事實上，鋰空氣電池本身存在嚴重缺陷，功率以熱能的形式損失，電池退化非常快。由于開路電池的配置，鋰空氣電池需要昂貴的輔助設施來吸入和排出氧氣，這與傳統的封閉電池截然不同。

然而，一種新的化學電池變體可能會解決所有這些問題。它可以使用傳統的方式，完全封閉，并且可以像鋰空氣電池一樣提供電池性能，完全克服鋰空氣電池的缺點。這種新的電池概念被Nature Energy稱為“納米鋰陰極電池”。據介紹，新的研究成果由麻省理工學院核科學與工程學院教授李菊領導，以及與麻省理工、阿貢國家實驗室和北京大學等其他成員聯合研究的成果。

李菊說，鋰空氣電池的一個主要缺點是充電和放電之間的電壓不匹配。電池的輸出電壓比充電時低1.2伏以上，這意味著在每個完整的充電過程中都會有巨大的能量損失。李菊說：“充電時，大約30%的電量以熱量的形式損失。如果充電太快，它會自燃。”

氧氣保持固態。

傳統鋰空氣電池的工作原理如下：在放電過程中，鋰空氣電池從外部吸收氧氣，并與電池的鋰發生化學反應。在充電過程中，發生了相反的化學反應，氧氣再次釋放到空氣中。在這種新的變體電池中，鋰和氧在充電和放電過程中具有相同的電化學反應，但在整個過程中不需要氧氣的氣體變化。

相反，氧總是以固態存在，并且可以在三種氧化還原狀態之間直接切換，從而產生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O3和過氧化鋰鋰LiO2，它們以玻璃的形式混合在一起。這樣，電壓損失可以提高五倍以上，從1.2伏提高到0.24伏，因此只有8%的電能轉化為熱量。李菊說：“這意味著汽車可以快速充電，因此電池組的燃燒問題將得到解決，不再構成安全隱患，電池的能效也將得到保證。”

此外，新型電池還解決了鋰空氣電池的另一個主要問題。由于充放電過程中發生化學反應，氧氣以氣態和固態存在，當氧氣發生巨大的體積變化時，會擾亂電池內部的導電通路，嚴重損害電池的壽命。

據報道，新電池的奧秘在于制造出一種非常小的粒子，大約納米級。玻璃狀顆粒既可以含有鋰，也可以含有氧，并被一個小的鈷氧化物基質緊緊包圍。研究人員將這些粒子稱為納米鋰。李菊說，在這種形式下，氧化鋰、過氧化鋰和過氧化鋰的轉化可以完全以固態發生。

由于納米氧化鋰在正常狀態下非常不穩定，研究人員將其放入鈷氧化物的基質中。鈷氧化物基質實際上是一種海綿狀物質，每隔幾納米就有一個孔隙。鈷氧化物基質一方面可以穩定納米氧化鋰，另一方面也可以作為化學反應的催化劑。

李菊教授補充說，傳統的鋰空氣電池實際上是鋰干氧電池，因為它根本無法處理濕度和二氧化碳。因此，鋰空氣電池中使用的進口空氣需要仔細處理。“你需要一個大型輔助系統來除濕和去除二氧化碳，這非常困難。”然而，由于新型電池根本不需要吸入和排出氣體，這個困擾鋰空氣電池的問題得到了解決。

不會過度充電

研究小組表示，新型電池……

elf具有過充電保護機制，在過充電的情況下，化學反應可以實現自我約束。一旦發生過充電，化學物質立即轉變為另一種形式，化學反應停止。李菊教授說：“傳統電池在過充電時可能會造成不可逆的結構損壞，甚至爆炸。然而，對于納米鋰氧電池，我們已經連續過充電15天，這是其電池容量的100多倍，但電池完全沒有損壞。”

在循環負載測試中，實驗室版本的新型電池已經完成了120次充放電循環測試，整個過程中只損失了2%的能量，這意味著這種電池將具有較長的壽命。此外，這種電池使用非常方便，可以像傳統的固體鋰離子一樣使用，不需要鋰空氣電池的各種輔助設備，可以快速方便地應用于汽車、電子設備甚至電網儲能領域。

此外，由于這些“固態氧”陰極比傳統的鋰離子電池輕得多，因此在相同的陰極重量下，新型電池可以儲存兩倍的能量。研究團隊表示，如果新電池在設計上進一步細化，最終的儲能容量可以增加兩倍以上。

李菊教授表示，整個過程沒有添加任何昂貴的物質或材料。研究小組表示，新電池中用作液體電解質的碳酸鹽是最便宜的。此外，鈷氧化物的重量還不到納米氧化鋰重量的一半。總的來說，與鋰空氣電池相比，這種新型電池使用更廣泛、更便宜、使用更安全。

據報道，研究團隊希望在一年內將實驗室研究成果應用于實際測試。俄勒岡州立大學助理教授紀秀蕾，說：“這是一個重大突破，可能會推動氧基電池技術的重大發展。在這個系統中，商用碳酸鹽電解質和過氧化物溶劑工作得很好。此外，在這個封閉的空間中，不會產生氣態氧，這非常令人印象深刻。在整個循環中，陰極的所有活性物質都是固體的，這不僅意味著巨大的能量密度y、 而且與當前要求電池保護的設備具有很好的兼容性。"

其他研究小組成員如下：麻省理工學院研究科學家Kushima Akihiro和Yin Zongyou，北京大學Lu Qi，阿貢國家實驗室Khalil Amine和Jun Lu。整個研究得到了國家科學基金會和美國能源部的支持。據科技網站Engadget報道，麻省理工學院領導的研究團隊最近宣布了最新開發的鋰氧電池，該電池比鋰空氣電池具有明顯的優勢，因為它重量更輕，使用固體氧，并且具有防止過充電的自身機制。有望在電動汽車領域推廣，解決續航里程和電池安全問題。

對于電動汽車和其他便攜式電子設備，鋰空氣電池因其良好的能量重量比而被認為是一種非常有前途的技術。但事實上，鋰空氣電池本身存在嚴重缺陷，功率以熱能的形式損失，電池退化非常快。由于開路電池的配置，鋰空氣電池需要昂貴的輔助設施來吸入和排出氧氣，這與傳統的封閉電池截然不同。

然而，一種新的化學電池變體可能會解決所有這些問題。它可以使用傳統的方式，完全封閉，并且可以像鋰空氣電池一樣提供電池性能，完全克服鋰空氣電池的缺點。這種新的電池概念被Nature Energy稱為“納米鋰陰極電池”。據介紹，新的研究成果由麻省理工學院核科學與工程學院教授李菊領導，以及與麻省理工、阿貢國家實驗室和北京大學等其他成員聯合研究的成果。

李菊說，鋰空氣電池的一個主要缺點是充電和放電之間的電壓不匹配。電池的輸出電壓比充電時低1.2伏以上，這意味著在每個完整的充電過程中都會有巨大的能量損失。李菊說：“充電時，大約30%的電量以熱量的形式損失。如果充電太快，它會自燃。”

氧氣保持固態。

傳統鋰空氣電池的工作原理……

如下所示：在放電過程中，鋰空氣電池從外部吸收氧氣，并與電池中的鋰發生化學反應。在充電過程中，發生了相反的化學反應，氧氣再次釋放到空氣中。在這種新的變體電池中，鋰和氧在充電和放電過程中具有相同的電化學反應，但在整個過程中不需要氧氣的氣體變化。

相反，氧總是以固態存在，并且可以在三種氧化還原狀態之間直接切換，從而產生三種不同的固體化合物——氧化鋰Li2O、過氧化鋰Li2O3和過氧化鋰鋰LiO2，它們以玻璃的形式混合在一起。這樣，電壓損失可以提高五倍以上，從1.2伏提高到0.24伏，因此只有8%的電能轉化為熱量。李菊說：“這意味著汽車可以快速充電，因此電池組的燃燒問題將得到解決，不再構成安全隱患，電池的能效也將得到保證。”

此外，新型電池還解決了鋰空氣電池的另一個主要問題。由于充放電過程中發生化學反應，氧氣以氣態和固態存在，當氧氣發生巨大的體積變化時，會擾亂電池內部的導電通路，嚴重損害電池的壽命。

據報道，新電池的奧秘在于制造出一種非常小的粒子，大約納米級。玻璃狀顆粒既可以含有鋰，也可以含有氧，并被一個小的鈷氧化物基質緊緊包圍。研究人員將這些粒子稱為納米鋰。李菊說，在這種形式下，氧化鋰、過氧化鋰和過氧化鋰的轉化可以完全以固態發生。

由于納米氧化鋰在正常狀態下非常不穩定，研究人員將其放入鈷氧化物的基質中。鈷氧化物基質實際上是一種海綿狀物質，每隔幾納米就有一個孔隙。鈷氧化物基質一方面可以穩定納米氧化鋰，另一方面也可以作為化學反應的催化劑。

李菊教授補充說，傳統的鋰空氣電池實際上是鋰干氧電池，因為它根本無法處理濕度和二氧化碳。因此，鋰空氣電池中使用的進口空氣需要仔細處理。“你需要一個大型輔助系統來除濕和去除二氧化碳，這非常困難。”然而，由于新型電池根本不需要吸入和排出氣體，這個困擾鋰空氣電池的問題得到了解決。

不會過度充電

研究團隊表示，新型電池本身具有過充電保護機制，在過充電的情況下，化學反應可以實現自我約束。一旦發生過充電，化學物質立即轉變為另一種形式，化學反應停止。李菊教授說：“傳統電池在過充電時可能會造成不可逆的結構損壞，甚至爆炸。然而，對于納米鋰氧電池，我們已經連續過充電15天，這是其電池容量的100多倍，但電池完全沒有損壞。”

在循環負載測試中，實驗室版本的新型電池已經完成了120次充放電循環測試，整個過程中只損失了2%的能量，這意味著這種電池將具有較長的壽命。此外，這種電池使用非常方便，可以像傳統的固體鋰離子一樣使用，不需要鋰空氣電池的各種輔助設備，可以快速方便地應用于汽車、電子設備甚至電網儲能領域。

此外，由于這些“固態氧”陰極比傳統的鋰離子電池輕得多，因此在相同的陰極重量下，新型電池可以儲存兩倍的能量。研究團隊表示，如果新電池在設計上進一步細化，最終的儲能容量可以增加兩倍以上。

李菊教授表示，整個過程沒有添加任何昂貴的物質或材料。研究小組表示，新電池中用作液體電解質的碳酸鹽是最便宜的。此外，鈷氧化物的重量還不到納米氧化鋰重量的一半。總的來說，與鋰空氣電池相比，這種新型電池使用更廣泛、更便宜、使用更安全。

據報道，研究團隊希望在一年內將實驗室研究成果應用于實際測試。俄勒岡州立大學助理教授紀秀蕾說：“這是一個重大突破……

并可能促進氧基電池技術的重大發展。在該系統中，商用碳酸鹽電解質和過氧化物溶劑工作得非常好。而且，在這個封閉的空間里，不會產生氣態氧氣，這是非常令人印象深刻的。在整個循環過程中，陰極的所有活性物質都是固體，這不僅意味著巨大的能量密度，而且與當前電池聲稱的設備具有很大的兼容性。"

其他研究小組成員如下：麻省理工學院研究科學家Kushima Akihiro和Yin Zongyou，北京大學Lu Qi，阿貢國家實驗室Khalil Amine和Jun Lu。整個研究得到了國家科學基金會和美國能源部的支持。

標簽：北京大發理念

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