據科技網站(zhàn)Engadget報(bào)道，由麻省理(lǐ)工主導的研究團隊日前公布了(le)新(xīn)研發的锂氧電池，由于具備更輕的重量、使用固态氧元素并且自帶防止過度充電機制，其較锂空氣電池具有明顯優勢，有望在電動汽車領域推廣，解決續航裏程以及電池安全問題。

對于電動汽車以及其他便攜電子(zǐ)設備領域來(lái)說(shuō)，由于良好(hǎo)(hǎo)的能(néng)量重量比，锂空氣電池（Lithium-air battery）被認為(wèi)是非常有前景的技術。但(dàn)其實，锂空氣電池本身(shēn)存在着嚴重的缺陷，電量以熱能(néng)的形式流失，而且電池降解速度非常快(kuài)。由于使用開路(lù)電池的配置，锂空氣電池需要昂貴的輔助設施來(lái)吸入并排出氧氣，這(zhè)與傳統的密閉電池大相徑庭。

不過，一(yī)種化(huà)學電池的新(xīn)變體(tǐ)或許能(néng)夠解決這(zhè)所有的問題。它可以使用傳統方式，完全封閉，而且能(néng)夠提供像锂空氣電池那樣的電池性能(néng)，而且完全克服了(le)锂空氣電池的缺點。這(zhè)種新(xīn)的電池理(lǐ)念被《自然能(néng)量》（Nature Energy）稱作(zuò)“nanolithia cathode battery”（意譯：納米锂氧陰極電池）。據介紹，新(xīn)研究成果由麻省理(lǐ)工學院MIT核科學與工程學院教授李巨領銜，與MIT、阿貢國家實驗室、北京大學等另外幾名成員(yuán)共同研究的成果。

李巨表示，锂空氣電池的一(yī)大缺點是電池充電與放(fàng)電時(shí)電壓的不匹配。電池的輸出電壓比充電時(shí)的電壓要低(dī)1.2伏還要多，這(zhè)意味着在每一(yī)次完整充電過程中，都會産生(shēng)巨大的能(néng)量損失。李巨說(shuō)：“在充電時(shí)，約30%的電量以熱量的形式流失，如(rú)果你充電速度過快(kuài)，它都可以自燃了(le)。”

氧—保持固态

傳統的锂空氣電池的工作(zuò)原理(lǐ)是這(zhè)樣的：在放(fàng)電過程中，锂空氣電池從外界吸收氧氣，并與電池的锂産生(shēng)化(huà)學反應。在充電過程中，則産生(shēng)相反的化(huà)學反應，氧被重新(xīn)釋放(fàng)到空氣中。在這(zhè)種新(xīn)的變體(tǐ)電池中，在充電與放(fàng)電過程中，锂元素與氧氣進行同樣的電化(huà)學反應，但(dàn)整個(gè)過程中根本不需要氧元素的氣态變化(huà)。

相反，氧元素一(yī)直以固态形勢存在，并可在三種氧化(huà)還原狀态中直接切換，産生(shēng)三種不同的固體(tǐ)化(huà)合物——氧化(huà)锂Li2O、過氧化(huà)锂Li2O2以及超氧化(huà)锂LiO2，這(zhè)三種化(huà)合物以玻璃形态混合在一(yī)起。這(zhè)樣的話(huà)，電壓損耗情況可以改善5倍以上(shàng)，從1.2伏減為(wèi)0.24伏，所以，僅有8%的電能(néng)被轉換成了(le)熱量。李巨表示：“這(zhè)意味着汽車可以快(kuài)速充電，因此電池組發燙的情況會解決，不再構成安全隐患，而且電池的能(néng)源效率得到了(le)保障。”

此外，新(xīn)電池還解決了(le)锂空氣電池的另一(yī)大問題。由于在充電與放(fàng)電過程中，化(huà)學反應使氧以氣态以及固态的形式存在，當氧經曆巨大的體(tǐ)積變化(huà)時(shí)，這(zhè)會擾亂電池内部的電傳導路(lù)徑，嚴重損害了(le)電池的壽命。

據介紹，新(xīn)型電池的奧秘在于創建一(yī)個(gè)極小的微粒，大約在納米級别，成玻璃狀的微粒可同時(shí)包含锂與氧，并緊緊被包圍在氧化(huà)钴（cobalt oxide）的小矩陣裏。研究人(rén)員(yuán)将這(zhè)些(xiē)微粒稱作(zuò)納米锂氧（nanolithia）。李巨表示，在這(zhè)種形态下(xià)，氧化(huà)锂、過氧化(huà)锂以及超氧化(huà)锂的轉換可以完全以固态形式發生(shēng)。

由于通常狀态下(xià)，納米锂氧非常不穩定，所以研究人(rén)員(yuán)将它們放(fàng)入了(le)氧化(huà)钴的矩陣之中。氧化(huà)钴矩陣其實是一(yī)種類似海綿狀的物質，每隔幾納米就(jiù)有一(yī)個(gè)氣孔。氧化(huà)钴矩陣一(yī)方面可以穩定住納米锂氧，另一(yī)方面，還可以充當化(huà)學反應的催化(huà)劑。

李巨教授補充道，傳統的锂空氣電池其實是锂幹氧電池（lithium-dry oxygen battery），因為(wèi)它完全不能(néng)處理(lǐ)潮濕以及二氧化(huà)碳。所以锂空氣電池使用的輸入型空氣需要認真處理(lǐ)。“你需要大型輔助系統來(lái)除濕以及排除二氧化(huà)碳，這(zhè)非常困難。”但(dàn)由于新(xīn)電池完全不需要吸入以及排除氣體(tǐ)，這(zhè)個(gè)困擾锂空氣電池的問題迎刃而解。

不會過度充電

研究團隊表示，新(xīn)型電池自身(shēn)存在一(yī)種過度充電的保護機制，在過度充電情況下(xià)，化(huà)學反應可以實現(xiàn)自我約束。一(yī)旦過度充電情況發生(shēng)，化(huà)學物質馬上(shàng)轉變成另外一(yī)種形态，從而化(huà)學反應中止。李巨教授說(shuō)：“傳統電池在過度充電的情況下(xià)，可能(néng)會導緻不可逆轉的結構損害，甚至爆炸。但(dàn)是，對于納米锂氧電池，我們已經連續過度充電15天了(le)，已經是它電池容量的100倍以上(shàng)，但(dàn)電池一(yī)點損害都沒有。”

在循環負荷試驗中，新(xīn)型電池的實驗室版本完成了(le)120遍充電—放(fàng)電的循環測試，整個(gè)過程下(xià)來(lái)，僅有2%的能(néng)量損失，這(zhè)意味着這(zhè)種電池或将擁有超長壽命。此外，這(zhè)種電池使用非常方便，它可以像傳統的固态锂離子(zǐ)那樣使用，而且不需要锂空氣電池的各種輔助設備，可以非常快(kuài)捷方便的應用于汽車、電子(zǐ)設備甚至是電網能(néng)量儲備領域。

另外，由于這(zhè)些(xiē)“固态氧”陰極比傳統的锂離子(zǐ)電池陰極重量還要輕不少，因此，在同樣的陰極重量之下(xià)，新(xīn)型電池可以多儲備一(yī)倍的能(néng)量。研究團隊表示，如(rú)果新(xīn)型電池在設計上(shàng)進一(yī)步精緻，最終的能(néng)量存儲能(néng)力可以增加兩倍以上(shàng)。

李巨教授表示，整個(gè)過程不添加任何昂貴的物質或者材料。研究團隊表示，新(xīn)電池使用的作(zuò)為(wèi)液體(tǐ)電解質的碳酸鹽是最便宜的一(yī)種。此外，氧化(huà)钴的重量還不到納米锂氧重量的一(yī)半。整體(tǐ)而言，這(zhè)種新(xīn)型電池與锂空氣電池相比，應用更為(wèi)廣泛、價格更為(wèi)低(dī)廉、使用更為(wèi)安全。

據悉，研究團隊希望在一(yī)年内将實驗室研究成果應用到實際測試之中。俄勒岡州立大學助理(lǐ)教授Ji Xiulei表示：“這(zhè)是一(yī)項重大突破，可能(néng)會推動氧基電池技術的重大發展。在這(zhè)個(gè)系統之中，商(shāng)用的碳酸鹽基電解質與過氧化(huà)物溶劑的工作(zuò)效果非常好(hǎo)(hǎo)。而且，在這(zhè)個(gè)封閉空間(jiān)裏，不會産生(shēng)任何氣态氧，這(zhè)非常令人(rén)印象深刻。在整個(gè)循環過程中，陰極的所有活躍物質都是固态的，這(zhè)不僅意味着巨大的能(néng)量密度，而且與現(xiàn)狀電池聲稱設備有着巨大的兼容性。”

其他研究團體(tǐ)成員(yuán)如(rú)下(xià)：MIT研究科學家Akihiro Kushima、Zongyou Yin，北京大學Lu Qi，阿貢國家實驗室Khalil Amine、Jun Lu。整個(gè)研究是由美國國家科學基金(jīn)會以及美國能(néng)源部支持的。