锂空气电池的新设计可以提供更长的行驶里程

许多电动汽车车主都希望电池组能够一次充电为他们的车辆提供超过一千英里的动力。伊利诺伊理工学院(IIT)和美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员开发了一种锂空气电池，可以让这个梦想成为现实。该团队的新电池设计有一天也可以为国内飞机和长途卡车提供动力。

这种锂空气电池的主要新成分是固体电解质，而不是通常的液体电解质。固态电解质电池不受锂离子和其他电池类型中使用的液态电解质的安全问题的影响，后者可能会过热并着火。

“锂空气电池的预计能量密度是锂离子以外的下一代电池所考虑的任何电池技术中最高的。”—拉里柯蒂斯，阿贡杰出研究员。

更重要的是，该团队与固体电解质的电池化学有可能将能量密度提高到比锂离子电池高四倍，这意味着更长的行驶里程。

“十多年来，阿贡和其他地方的科学家一直在加班加点地开发一种利用空气中氧气的锂电池，”阿贡杰出研究员拉里柯蒂斯说。XNUMX.“锂空气电池的预计能量密度是锂离子以外的下一代电池所考虑的任何电池技术中最高的。”

在过去的锂-空气设计中，锂金属阳极中的锂在放电过程中移动通过液体电解质与氧气结合，在阴极产生过氧化锂(Li2O2)或超氧化物(LiO2)。然后，过氧化锂或超氧化物在充电过程中分解成锂和氧成分。这种化学序列按需储存和释放能量。

该团队的新型固体电解质由陶瓷聚合物材料组成，该材料由纳米颗粒形式的相对便宜的元素制成。这种新的固体能够在放电时产生产生氧化锂(Li2O)的化学反应。

“超氧化锂或过氧化锂的化学反应只涉及每个氧分子储存的一到两个电子，而氧化锂的化学反应涉及四个电子，”阿贡化学家RachidAmine说。存储的电子越多意味着能量密度越高。

该团队的锂空气设计是首个在室温下实现四电子反应的锂空气电池。它还使用周围环境的空气供应的氧气进行操作。用空气运行的能力避免了氧气罐运行的需要，这是早期设计的一个问题。

该团队采用了许多不同的技术来确定确实发生了四电子反应。一项关键技术是阴极表面放电产物的透射电子显微镜(TEM)，这是在美国能源部科学办公室用户设施阿贡纳米材料中心进行的。TEM图像提供了对四电子放电机制的宝贵见解。

过去的锂空气测试电池循环寿命非常短。该团队通过构建和运行1000次循环的测试电池，证明了其在反复充电和放电中的稳定性，从而确定他们的新电池设计并非存在这一缺点。

“随着进一步的发展，我们预计我们的锂空气电池新设计也将达到创纪录的每公斤1200瓦时的能量密度，”柯蒂斯说。“这几乎是锂离子电池的四倍。”

这项研究发表在最近一期的《科学》杂志上。Argonne的作者包括LarryCurtiss、RachidAmine、LeiYu、JianguoWen、TongchaoLiu、Hsien-HauWang、PaulC.Redfern、ChristopherJohnson和KhalilAmine。IIT的作者包括MohammadAsadi、MohammadrezaEsmaeilirad和AhmadMosenHarzandi。伊利诺伊大学芝加哥分校的作者包括RezaShahbazian-Yassar、MahmoudTamadoniSaray、NannanShan和AnhNgo。

该研究由美国能源部车辆技术办公室和基础能源科学办公室通过储能研究联合中心资助。