新能源汽车电池研究最新进展，新型锂-钠合金空气电池
来源：宝鄂实业
2019-03-08 15:33
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鉴于目前新能源电动汽车并不良好的续航里程，人们期待大蓄电量和高输出功率的新的电池技术。但是目前的锂离子电池体系受限于其本身的比能量密度，蓄电量并不出色，不管怎样充分发展，都难以满足社会对储能增长的需求。
金属空气电池，特别是可充电碱金属（主要是锂和钠两种）空气电池，由于他们特有的高能量密度（是锂离子电池的几倍甚至几十倍），也就是强大的蓄电量，一直以来备受关注，被当作未来新能源汽车的新一代电池。但是目前研制出可供新能源汽车使用的碱金属空气电池仍然存在很大的困难，主要原因是：在充电放电的过程中，锂和钠会发生大的体积变化，导致电池容量迅速下降；另外由于反应生成的氧化锂或者氧化钠在电解液中分布不均匀，导致在金属电极表面不可避免地形成枝晶（俗称树枝状晶体），导致电池断电，甚至起火爆炸；还有碱金属-锂或钠由于化学性质活泼，会与电解液发生电化学反应，导致金属电极被消耗，电池失效。
近日，来自中科院长春应化所，吉林大学，中国科学院大学，中国科技大学，北京航空航天大学等学校地联合科研小组提出并开发了一种新型的锂-钠合金空气电池。他们基于“碱金属原子半径越大，屏蔽效应越小”以及“锂和钠性质相近，具有相近的电解质相容性”的原理来设计这种锂-钠合金电池。利用DOL（1，3-二氧戊环）作为电池添加剂来控制碱金属在放电充电过程中的形成的枝晶，体积变化。用耐腐蚀的NaCF3SO3/四乙二醇二甲醚混合液作电解液，通过调节锂-钠的比例来调控电池的寿命。最终获得了能够进行137次循环的电池，这比单一的钠电极的寿命长的多。同时通过实验发现，当（钠-锂）摩尔比为6时，在电解液中的阻抗开始小于单独的金属Li（锂）。在对该锂-钠合金空气电池进行了循环性能研究和电化学研究的过程发现这种电池表现良好。具有广阔的应用价值。
这项工作证明了锂合金阳极和电解质添加剂(DOL)在稳定锂或钠电镀/剥离电化学中的关键作用，同时也得到了一种能抵抗形成枝晶，抗氧化，无裂缝的锂-钠合金。这种合金空气电池虽然才刚在实验室发展起来，但是它良好的电化学性能表明了它的广泛的应用价值。同时也为今后的开发双金属电池研究提供了一条新的思路。
相信在科学家们的努力下，新的电池体系将很快被建立起来，续航能力强，安全的，满足各种需要的电池也将会尽快地进入我们地生活为我们所用。而伴随着新一代电池体系的建立和应用，新能源汽车也将大大地普及并最终取代燃油车地位置。
凯斯西储大学和北德克萨斯大学的研究人员已经制造出他们认为是第一种无金属双功能电催化剂，其性能与锌空气电池中的大多数金属和金属氧化物电极一样好或更好，预计锌空气电池比移动电话和笔记本电脑中常见的锂离子电池更安全，更轻，更便宜，更强大和耐用，并且越来越多地用于混合动力和电动汽车，这种碳基催化剂在氧还原反应和析氧反应中都能有效地工作，使电池可充电。与大多数替代材料相比，该催化剂价格低廉，易于制造且更具生态性，使用电池，成本始终是一个问题，无金属催化剂可以降低成本，同时提高性能，”Case Western Reserve大学高分子科学与工程教授，该研究的高级作者Liming Dai说。“这些电池可用于计算机，数据站，照明 - 现在使用任何电池。
戴先生曾与Case Western Reserve博士后张金涛合作，他曾进行过实验工作;和北德克萨斯大学的材料科学与工程学教授夏海霞和博士生赵正航进行了理论模拟，锌空气电池将空气中的氧气与液体碱性电解液中的锌混合以产生电荷。这些电池的能量密度是锂离子电池的三倍，但一直很低迷。为了解决这个问题，研究人员正在寻找不同的催化剂，该催化剂是稳定的碳气凝胶或泡沫，其孔径为2至50纳米，提供了巨大的表面积和电池电解质扩散的空间，研究人员遵循斯坦福大学科学家于2012年发布的泡沫制造程序。他们将有机化合物苯胺的分子聚合成植酸溶液中的长链，然后将三维水凝胶冷冻干燥成气凝胶。
们所做的就是对三维结构进行碳化处理，将其改为石墨碳材料，”张说，为此，研究人员在没有氧气的情况下将气凝胶加热到1000摄氏度。这一过程称为热解，引起热化学反应，将泡沫转变为石墨网络，许多石墨烯边缘被证明对催化至关重要，这是一个低成本，一步到位，可扩展的过程，”戴说。“电催化剂产生的成本与更昂贵的材料相当或更好，苯胺用氮气注入或掺杂泡沫，这增强了氧还原反应。植酸使泡沫中含有磷。“正如第一性原理计算所证实的那样，氮和磷的共同掺杂增强了氧还原和氧气释放反应”，夏说。在比较中，碳泡沫在初级或非可充电电池和可充电电池中的性能与昂贵的铂/金属氧化物基催化剂相当或超过。并且，它具有更好的长期稳定性，碳泡沫也与大多数先前报道的无金属催化剂相匹配或表现优异，甚至最近开发的金属碳基催化剂也是如此，展望未来，戴的团队已经开始进一步优化工艺，同时还研究了其他共掺杂不同元素的石墨碳材料，以便在其他能源和环境技术中使用，Dai的实验室之前开发的碳基催化剂的性能与碱性和酸性燃料电池以及染料敏化太阳能电池中使用的更昂贵的金属基催化剂相当或更好。
