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在奈米尺度下探索鋰空氣電池的可逆性

一如其名所暗示的,鋰空氣電池(Li-air batteries)利用空氣來運作,拉出氧分子以用於多孔、碳基的陰極,而陽極則用鋰。因為用的是空氣,意味這種電池不需要在陰極存放沈重的電荷源,所以該電池能提供極高的能量密度,幾乎與相同體積汽油所能提供的能量相當,是鋰離子電池的 5-10 倍以上。儘管有這些誘人之處,鋰空氣電池仍面臨諸多限制,有個研究團隊已著手對付其中一向挑戰:可逆性(reversibility),這對可重複充電多次的電池來說是必要的。

研究者,田納西州 ORNL 的 Thomas Arruda、Amit Kumar、Sergei Kalinin,以及 Stephen Jesse,已在最近一期的 《Nanotechnology》上發表一篇論文,在其中,他們探索控制粒子之可逆性的因素。這些粒子生長在電解質上,那構成鋰空氣電池與奈米電池的基礎。

「在材料系統中,範圍從鋰空氣電池到更加確立的領域,例如(電化學)腐蝕、電鍍及其他眾多領域,我們認為這項新研究替不可逆或準可逆(quasi-reversible)奈米級電化學的研究鋪路,」Kalinin 表示。

「最初的鋰電池(無法充電且用完即丟)具高能量密度,且從 1960 年代以來都能在市面上購得;然而,它們只能用一次,」Arruda 說。「為了要使這些電池能與,例如石化燃料(即汽車應用)競爭,它們需要被重複充電數百次,不然也要有數千次。考慮到通勤者平均每週加油一次。這等於十年間要裝 500 次以上。對一個汽車鋰空氣電池而言,將需要符合這項標準,即便不考慮成本或其他重要指標(metrics)。事實上,一如領導性電池專家在密集審查後所提出的證據,可逆性對鋰空氣電池來說,仍是一個最重要且最難達成的任務。」

使用一個充飽電的鋰空氣電池時,陽極中的鋰離子會移動到陰極,在此它們經由氧化還原反應與氧產生反應。來自反應的電子接著被收穫並用來供電給電子裝置。將電池重新充電後,鋰離子必從陰極移回陽極。如研究者的解釋,鋰空氣電池之所以如此難以充電的原因是,因為這種電池結合了電池與燃料電池中,最困難的過程。

「構成這些過程的基礎是大量不受歡迎的化學物質,諸如難溶解的反應產物(LiOx,鋰氧化物)、緩慢的反應動力學以及金屬鋰不受歡迎的、幾乎與每樣東西起反應的傾向,」Jesse 說。「以陽極為例,鋰離子電沈積(electrodeposition)到金屬鋰,常伴隨著針狀鋰粒子的形成,那稱為樹枝狀結晶(dendrites,譯註:生物學中稱樹突)。這些粒子對電池產生的負面影響是 (1) 導致與陽極失連,因而無法參與反應,以及 (2) 增加內部短路的風險,那會導致熱耗散與火災。在陰極,氧化還原反應對鋰空氣電池來說,與燃料電池一樣,都是一大挑戰。當這二種反應結合起來,它們形成一種難溶產物的混合物,那難以逆向反應且最終會使陰極毒化(choke)。」

在他們的研究中,研究者使用原子力顯微鏡(AFM),透過分析鋰粒子的生長,來研究電池可逆性。當掃描 20-nm AFM 探針在鋰離子導電玻璃陶瓷電解質(conductive glass ceramic electrolyte)表面上的偏移時,他們在此一週而復始的過程中量測到探針高度的變化。他們發現,探針高度的增減與電流變化相關,讓他們能證明「可逆性的存在」以及測繪不同位置上的「可逆性程度」。

在未來,研究者希望更進一步改善可逆性,並提到,當鋰空氣電池商業化前,它們仍會面臨許多其他的挑戰。

「鋰空氣電池所有主要元件的技術發展與系統工程,都是讓這項科技上市所需要的東西,」Kalinin 說。「陰極需要更好的催化劑,鋰陽極在不損及功能的情況下獲得保護,仍最重要,另外優異的多功能電解質也需要開發。在最基礎的層次上理解關鍵電池元件的基礎過程的必要性,仍屬最優先考慮的事。只有在達到基礎過程的綜合理解後,化學家才能夠微調、系統才能夠經過適當的改造以符合應用所需的衡量標準。」

如果研究者能克服這些挑戰,鋰空氣電池有潛力為各類廣泛的應用儲存能量。

「若鋰空氣電池能被實現,首要應用將會是運輸與其它需要行動力的情況(例如:膝上型電腦等),因為那對於它們所儲存的能量數量而言,可說是非常輕量,」Arruda 表示。「最佳化鋰空氣電池,以包含大量充放電循環,將削減成本,並使不需要像目前那樣使用一堆沈重電池的全電動車成真。在這之後,可以很容易展望這項技術(鋰空氣奈米電池)被應用在 MEMS 與 NEMS。這些系統也許是使用這種能源的理想系統,因其能量需求十分低,所能運作的時間更久。」

資料來源:Researchers explore Li-air battery reversibility on the nanoscale. phys.org [August 8, 2012]

轉載自 only perception

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