關鍵技術爭論機理被闡明，鋰空氣電池離實際應用更進一步

電池研究者們認為鋰空氣（又名鋰氧）電池是未來電池技術中最有發展前景的技術之一。鋰空氣優勢是基於對電極的改變。電池電極通常由金屬或金屬氧化物製成，而在鋰空氣電池中，一端的電極被替換成了可以在電池裡外流通自如的空氣，原來沉重的物質被替換成了沒有重量的物質；另外一端的電極則是由重量極輕的純鋰製成。這種電池可以提供的電量是目前市面上同質量鋰離子電池的 3 倍。

圖丨實驗中使用的鋰氧電池組件

然而，在研發此類電池的過程中所進行的很多實驗卻得出截然相反的，而且另人困惑的實驗結果，隨之而來的還有關於如何理解這些實驗結果的矛盾。

近日，一組來自麻省理工學院(MIT)的研究團隊圍繞一種有希望成為新型電池材料的化合物，碘化鋰(Lil)，進行了一系列的實驗，似乎解決了關於鋰空氣電池實驗結果的矛盾。最新成果以論文的形式發表在了《能源和環境科學》上，論文的作者為MIT W.M. Keck能源教授邵陽（Yang Shao-Horn），MIT電子研究實驗室博士後Michal Tulodziecki，MIT研究生Graham Leverick等九人。

鋰空氣電池理論上的優勢在實際應用中被三個難題所限制：需要高壓充電、電能轉出效率低下和使用壽命短，這些都是由氧電極的不穩定性導致的。為了解決這些問題，研究人員提出在電解質中添加碘化鋰。

這種化合物被看作是解決鋰空氣電池難題，如電池無法承受很多次的充電放電循環，的可行方法。然而也有相反的發現指出，使用這種物質解決上述問題是徒勞無功的。

「一些實驗表明碘化鋰的加入的確改善了電池壽命，而另一些則顯示加入碘化鋰導致了非可逆反應和更短的電池壽命，」邵陽教授表示。他和團隊的最新研究解釋了這些看法之間的差異，儘管最終的結論表明該物質似乎並不能勝任，但是現有成果為克服碘化鋰缺點和尋找其它材料的研究方向提供了參考。

「之前，為了製作可行的鋰空氣電池，大部分的研究都是側重於有機物的，」論文的主要作者 Michal Tulodziecki 解釋，「但其中是大部分的有機物都是不穩定的，這就是為什麼人們繼而在碘化鋰（無機物）上投入了大量精力。一些論文表示引入碘化鋰可以讓電池增加成千上萬次的充電循環，但是也有人表示這樣做會破壞電池。」

圖丨這些圖片展示了在鋰氧電池充電過程中發生的化學反應

在最新研究中他表示，「在加水和不加水兩種情況下，我們仔細地探索了碘化鋰是如何影響這個過程的」，實驗結果顯示這兩種情況的對比其實至關重要。

不同於大多數其它研究，該研究小組採用了一種特殊方法來觀察碘化鋰在鋰空氣電池放電過程中扮演的角色。一組研究是將物質放在電池外部進行的，這樣可以讓研究人員對反應的每一部分進行調整歸零，另一組的研究則是在電池內部，用來弄輔助解釋整個過程。

之後，他們使用了紫外線及可見光光譜和其他技術來研究發生的反應。這兩個過程中都有不同的鋰化合物生成，比如在有碘化鋰和水的條件下生成了 LiOH，而不是 Li2O2 。碘化鋰可以增強水的反應性，使其更容易失去質子，從而在電池中促進 LiOH 的生成和影響充電過程。研究小組通過觀察發現，採用手段抑制以上的反應可以讓碘化鋰這類化合物的效果更加明顯。

圖丨鋰離子讓水更易發生反應

「這項研究或指引我們放棄碘化鋰，選擇一個不同的化合物專門抑制電極表面多餘的化學反應，」 Leverick 說。他還補充道，「這項研究證明了『仔細研究具體機理』的重要性。」

邵陽表示，「這些新發現揭示了現有關於碘化鋰作用的各方觀點的根本衝突，我們相信這可以闡明和融合與此衝突相關的各種看法。」

研究人員還表示，這僅僅是向「將鋰空氣技術運用到現實生活中」這個長遠目標邁出的一小步。「還有太多環節需要了解，」 Leverick 說，「所以一篇論文完全不足以解決問題，但是我們將堅持不懈繼續研究。」

美國阿貢國家實驗室的 Larry Curtiss 表示，「使用氧原子和鋰離子的鋰氧電池如此受到青睞，是因為它們可以大幅提高電動汽車的行駛距離。然而，難題之一就是這些電池的效率很低。」

雖然他並未參與該研究，但在了解了成果之後，他表示，「這項研究展示了添加隨處可見的鹽或碘化鋰，或許能夠提高電池效率。他們為『如何讓碘化鋰輔助打破固態放電產物』提供了新的見解，這將幫助實現高級電池系統的研發。」

Curtiss 補充道，「雖然在這種電池技術實現和普及之前，還有很多重大難題需要攻克，比如增加足夠長的電池壽命，但這項研究成果對電池領域的貢獻也是重大的。」

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