优化电解液可增加锂空气电池容量 有望成为电动汽车电池新星

 

来自美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室、卡内基·梅隆大学以及德国燃烧技术研究所的研究人员联合研究证明，一种电解液可有效增加锂空气电池的容量。这种电解液由能释放较多电子的阴离子和释放电子较少的非水溶剂组成。该研究发表在美国《国家科学院院刊》上。

 

对于电动车而言，金属空气电池无疑是最具吸引力的潜在之星，它重量轻、能量密度高、续航时间长，将电动车所需要的特性集于一身。然而锂空气电池至今未能一显身手，原因在于它存在致命缺陷，即固体反应生成物会在正极堆积，从而导致放电停止。非水溶性锂空气电池，其电化学反应的产物为过氧化锂。过氧化锂不溶解于质子惰性有机溶剂，会在阴极表面形成沉积物，最终会使阴极无法发生反应，从而降低电池的容量。

 

数家研究单位一直在试图克服这个问题，其中的一个方法是，调整电解液来增强中间产品的溶解度。研究人员对电解液进行了定性和定量研究，测量如何通过溶解氧化锂来提高电池容量。在他们设计的电解液中，电池容量可增加4倍，并证明了阴离子在电池循环周期中发挥着非常重要的作用。

 

随后研究人员利用扫描电子显微镜来检查过氧化锂在阴极表面上的沉积形态。结果表明，电池容量的增加可能是由于NO3-（硝酸根离子团带一个单位负电荷）诱导可溶性氧离子出现而增加。核磁共振进一步证实，NO3-离子对电解液释放电子发挥着重要作用。

 

研究人员还研究了溶剂的热力学性质，来获得阴离子释放电子数量如何影响电池容量的定量模型。他们利用简化的伊辛模型来描述锂离子溶剂化层，该模型主要用于研究相邻粒子之间的相互作用。研究人员给出了溶剂电子释放的函数，在假定电解液在锂离子溶剂化层中的位置为常数的条件下，证明随着NO3-离子浓度的增加，其在溶剂化层中能占据更多位置。

 

利用该模型，研究人员创建了等高线图，为研究金属空气电池提供了广义的工具。其结论是，能释放较多电子数量的阴离子，可使氧化锂无法形成，进而可提高电池容量。

 

该研究表明，电解液靶向中间产物，是一种克服锂空气电池缺陷，提高电池容量的方法。此外，该模型还可以广泛地适用于其他金属空气电池。