在同(tong)等(deng)重量(liang)下(xia)，鋰-空(kong)氣電(dian)池可(ke)以(yi)提供(gong)(gong)更多電(dian)力(li)，因(yin)此被(bei)廣泛應用于電(dian)動汽車和其他移動電(dian)子設備。然而，鋰-空(kong)氣電(dian)池有不少缺點(dian)：發熱高(大量(liang)化(hua)學能轉(zhuan)化(hua)成(cheng)了熱能而沒有提供(gong)(gong)給(gei)設備)、壽命(ming)短、制作工藝昂貴(gui)而復雜(向電(dian)池內(nei)充放空(kong)氣需(xu)要價格昂貴(gui)的設備，并且非常麻煩)。

近日，麻省理工學院核工程教授李巨，博士后朱(zhu)志(音譯，ZhiZhu)及其他(ta)五(wu)位工作于(yu)麻省理工、阿爾(er)貢國家實(shi)驗室和(he)(he)北京大學的(de)作者在(zai)《自然˙能源》期刊(kan)發(fa)文，報道(dao)了一種被(bei)稱(cheng)為(wei)“納米鋰陰(yin)極”的(de)新(xin)技術(shu)，該技術(shu)可以用來制造(zao)性能和(he)(he)鋰-空氣(qi)電池(chi)相(xiang)仿的(de)封閉式鋰電池(chi)，以克服上述問題。

李巨表示，鋰-空氣電池的弱點之一是充電和放電電壓不等，放電電壓比充電電壓低1.2伏，因此每次充電過程中，以熱能形式損失的能量高達30%。“如果你充電太快，你的鋰電池真的(de)有(you)可(ke)能燒起來(lai)。”

把氣體關起來

傳(chuan)統鋰-空氣(qi)電池放電時，利用空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)氧氣(qi)與(yu)電池中(zhong)的(de)(de)鋰發生(sheng)化(hua)學反應。在充電時，鋰氧化(hua)物中(zhong)的(de)(de)氧又(you)被(bei)釋(shi)放到(dao)大氣(qi)中(zhong)。

新(xin)的納米鋰陰極(ji)電池同樣(yang)利用了氧(yang)(yang)元素和(he)鋰的作用。區別在(zai)于，放電時，氧(yang)(yang)不會再以氣體(ti)形式釋(shi)放，而是被封(feng)閉在(zai)固體(ti)中。具體(ti)來說，氧(yang)(yang)以三(san)種(zhong)氧(yang)(yang)化還原態(tai)被封(feng)閉在(zai)三(san)種(zhong)固體(ti)化合物(wu)中——Li2O，Li2O2和(he)LiO2，這三(san)種(zhong)物(wu)質又被包繞在(zai)二氧(yang)(yang)化鈷(gu)玻璃里。

這(zhe)么做的(de)好處就(jiu)是，將納米鋰陰極電(dian)池將充(chong)放電(dian)時(shi)的(de)電(dian)壓(ya)差降(jiang)(jiang)低了5倍——從(cong)1.2伏(fu)降(jiang)(jiang)至0.24伏(fu)，因(yin)此(ci)只(zhi)有8%的(de)能量在充(chong)電(dian)時(shi)以熱能形式損失。這(zhe)意(yi)味著可以對汽車電(dian)池以更快的(de)速度充(chong)電(dian)而不(bu)必(bi)擔心過熱起(qi)火。

鋰-空氣電池的第二項缺點是：以氣體形式釋放的氧會破壞電池中的離子通道，因此降低了鋰電池的壽命。

新技術用(yong)二氧化(hua)鈷(gu)玻璃把鋰和氧包裹在(zai)納米(mi)(mi)(mi)尺度的(de)空間中，科學家把這(zhe)種結構稱(cheng)為納米(mi)(mi)(mi)鋰。這(zhe)樣，LiO2，Li2O2，和Li2O的(de)變(bian)換就不會改(gai)變(bian)材料宏觀結構。此外，由(you)于納米(mi)(mi)(mi)鋰顆粒本身(shen)非常不穩(wen)(wen)定(ding)，而具(ju)有納米(mi)(mi)(mi)通道(dao)的(de)二氧化(hua)鈷(gu)玻璃能則(ze)正好夠穩(wen)(wen)定(ding)它們。二氧化(hua)鈷(gu)同時還在(zai)充放(fang)電中扮演(yan)了(le)催化(hua)劑的(de)角色(se)。

李巨表(biao)示(shi)，傳統鋰(li)-空氣(qi)電池(chi)實際上只不過是(shi)鋰(li)-氧(yang)電池(chi)，因(yin)為空氣(qi)中(zhong)的水汽和二氧(yang)化碳會跟鋰(li)發生副反應，因(yin)此鋰(li)-空氣(qi)電池(chi)使用(yong)起來(lai)必須配備龐大的輔(fu)助系統，以除去水汽和二氧(yang)化碳，這是(shi)個(ge)步非(fei)常(chang)困難的步驟。而(er)新(xin)的固體(ti)鋰(li)電池(chi)已經沒有了這個(ge)問題。

自帶防過充功能

新的固體鋰電池還自帶防過充電功能，因為電池中的化學反應會通過負反饋自我調節，當電充滿時，反應自動停止。傳統電池若過充電，將對電池造成不可逆地損害，甚至爆炸。但是固體鋰電池在實(shi)驗(yan)中連續充電(dian)15天(tian)，充電(dian)電(dian)量(liang)百倍于電(dian)池容(rong)量(liang)，但是電(dian)池毫發無損(sun)。

在充(chong)(chong)放電(dian)(dian)實驗中(zhong)，固體鋰電(dian)(dian)池充(chong)(chong)放電(dian)(dian)120次，容量只損失2%，這意味著(zhu)遠遠超過(guo)了傳統鋰-空氣(qi)(qi)電(dian)(dian)池的(de)壽(shou)命。由于固體鋰電(dian)(dian)池無需輔助的(de)空氣(qi)(qi)凈化系統，因此它能便捷(jie)地應(ying)用(yong)于電(dian)(dian)動汽車，甚至是電(dian)(dian)網級儲能站(zhan)。

由于固態氧陰極比鋰離子(zi)電池(chi)的(de)陰極輕得多，因此新的(de)固體鋰電池(chi)可以比同等重量的(de)鋰離子(zi)電池(chi)儲(chu)存多一(yi)(yi)倍的(de)電量。隨著技術的(de)改進(jin)，新電池(chi)的(de)電量還能再提高一(yi)(yi)倍。

新電(dian)池的(de)更大優勢(shi)在于它無需使用昂貴的(de)稀(xi)有(you)材料(liao)。該(gai)電(dian)池的(de)碳酸鹽電(dian)解質(zhi)非常便(bian)宜。此外，二氧化鈷玻璃比納米鋰(li)顆粒輕50%。因此，與鋰(li)-空氣電(dian)池比較，新電(dian)池非常便(bian)宜，安全(quan)，且(qie)有(you)大規模應用的(de)潛力。研(yan)究團隊(dui)計劃1年內完成實(shi)用原型的(de)制造。

未參加該項目(mu)的(de)俄勒岡州立(li)大學(xue)副(fu)教授(shou)季旭(xu)磊(音譯，XiuleiJi)表示，新型鋰電(dian)池(chi)技術的(de)性(xing)能相比于傳統的(de)鋰-空氣電(dian)池(chi)有重大進步(bu)。超氧(yang)化物溶質在碳酸鹽電(dian)介質中工作得(de)很(hen)好，完全無需氧(yang)氣的(de)介入。在充放電(dian)過程中，陰極材料(liao)都是固體，因此(ci)新電(dian)池(chi)的(de)安(an)裝和使用很(hen)方便。