麻省理工研究出锂氧电池 电动车续航里程或翻倍

据科技网站Engadget报道，麻省理工学院领导的研究团队最近宣布了最新开发的锂氧电池，该电池比锂空气电池具有明显的优势，因为它重量更轻，使用固体氧，并且具有防止过充电的自身机制。有望在电动汽车领域推广，解决续航里程和电池安全问题。

对于电动汽车和其他便携式电子设备，锂空气电池因其良好的能量重量比而被认为是一种非常有前途的技术。但事实上，锂空气电池本身存在严重缺陷，功率以热能的形式损失，电池退化非常快。由于开路电池的配置，锂空气电池需要昂贵的辅助设施来吸入和排出氧气，这与传统的封闭电池截然不同。

然而，一种新的化学电池变体可能会解决所有这些问题。它可以使用传统的方式，完全封闭，并且可以像锂空气电池一样提供电池性能，完全克服锂空气电池的缺点。这种新的电池概念被Nature Energy称为“纳米锂阴极电池”。据介绍，新的研究成果由麻省理工学院核科学与工程学院教授李菊领导，以及与麻省理工、阿贡国家实验室和北京大学等其他成员联合研究的成果。

李菊说，锂空气电池的一个主要缺点是充电和放电之间的电压不匹配。电池的输出电压比充电时低1.2伏以上，这意味着在每个完整的充电过程中都会有巨大的能量损失。李菊说：“充电时，大约30%的电量以热量的形式损失。如果充电太快，它会自燃。”

氧气保持固态。

传统锂空气电池的工作原理如下：在放电过程中，锂空气电池从外部吸收氧气，并与电池的锂发生化学反应。在充电过程中，发生了相反的化学反应，氧气再次释放到空气中。在这种新的变体电池中，锂和氧在充电和放电过程中具有相同的电化学反应，但在整个过程中不需要氧气的气体变化。

相反，氧总是以固态存在，并且可以在三种氧化还原状态之间直接切换，从而产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O3和过氧化锂锂LiO2，它们以玻璃的形式混合在一起。这样，电压损失可以提高五倍以上，从1.2伏提高到0.24伏，因此只有8%的电能转化为热量。李菊说：“这意味着汽车可以快速充电，因此电池组的燃烧问题将得到解决，不再构成安全隐患，电池的能效也将得到保证。”

此外，新型电池还解决了锂空气电池的另一个主要问题。由于充放电过程中发生化学反应，氧气以气态和固态存在，当氧气发生巨大的体积变化时，会扰乱电池内部的导电通路，严重损害电池的寿命。

据报道，新电池的奥秘在于制造出一种非常小的粒子，大约纳米级。玻璃状颗粒既可以含有锂，也可以含有氧，并被一个小的钴氧化物基质紧紧包围。研究人员将这些粒子称为纳米锂。李菊说，在这种形式下，氧化锂、过氧化锂和过氧化锂的转化可以完全以固态发生。

由于纳米氧化锂在正常状态下非常不稳定，研究人员将其放入钴氧化物的基质中。钴氧化物基质实际上是一种海绵状物质，每隔几纳米就有一个孔隙。钴氧化物基质一方面可以稳定纳米氧化锂，另一方面也可以作为化学反应的催化剂。

李菊教授补充说，传统的锂空气电池实际上是锂干氧电池，因为它根本无法处理湿度和二氧化碳。因此，锂空气电池中使用的进口空气需要仔细处理。“你需要一个大型辅助系统来除湿和去除二氧化碳，这非常困难。”然而，由于新型电池根本不需要吸入和排出气体，这个困扰锂空气电池的问题得到了解决。

不会过度充电

研究小组表示，新型电池……

elf具有过充电保护机制，在过充电的情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦发生过充电，化学物质立即转变为另一种形式，化学反应停止。李菊教授说：“传统电池在过充电时可能会造成不可逆的结构损坏，甚至爆炸。然而，对于纳米锂氧电池，我们已经连续过充电15天，这是其电池容量的100多倍，但电池完全没有损坏。”

在循环负载测试中，实验室版本的新型电池已经完成了120次充放电循环测试，整个过程中只损失了2%的能量，这意味着这种电池将具有较长的寿命。此外，这种电池使用非常方便，可以像传统的固体锂离子一样使用，不需要锂空气电池的各种辅助设备，可以快速方便地应用于汽车、电子设备甚至电网储能领域。

此外，由于这些“固态氧”阴极比传统的锂离子电池轻得多，因此在相同的阴极重量下，新型电池可以储存两倍的能量。研究团队表示，如果新电池在设计上进一步细化，最终的储能容量可以增加两倍以上。

李菊教授表示，整个过程没有添加任何昂贵的物质或材料。研究小组表示，新电池中用作液体电解质的碳酸盐是最便宜的。此外，钴氧化物的重量还不到纳米氧化锂重量的一半。总的来说，与锂空气电池相比，这种新型电池使用更广泛、更便宜、使用更安全。

据报道，研究团队希望在一年内将实验室研究成果应用于实际测试。俄勒冈州立大学助理教授纪秀蕾，说：“这是一个重大突破，可能会推动氧基电池技术的重大发展。在这个系统中，商用碳酸盐电解质和过氧化物溶剂工作得很好。此外，在这个封闭的空间中，不会产生气态氧，这非常令人印象深刻。在整个循环中，阴极的所有活性物质都是固体的，这不仅意味着巨大的能量密度y、 而且与当前要求电池保护的设备具有很好的兼容性。"

其他研究小组成员如下：麻省理工学院研究科学家Kushima Akihiro和Yin Zongyou，北京大学Lu Qi，阿贡国家实验室Khalil Amine和Jun Lu。整个研究得到了国家科学基金会和美国能源部的支持。据科技网站Engadget报道，麻省理工学院领导的研究团队最近宣布了最新开发的锂氧电池，该电池比锂空气电池具有明显的优势，因为它重量更轻，使用固体氧，并且具有防止过充电的自身机制。有望在电动汽车领域推广，解决续航里程和电池安全问题。

对于电动汽车和其他便携式电子设备，锂空气电池因其良好的能量重量比而被认为是一种非常有前途的技术。但事实上，锂空气电池本身存在严重缺陷，功率以热能的形式损失，电池退化非常快。由于开路电池的配置，锂空气电池需要昂贵的辅助设施来吸入和排出氧气，这与传统的封闭电池截然不同。

然而，一种新的化学电池变体可能会解决所有这些问题。它可以使用传统的方式，完全封闭，并且可以像锂空气电池一样提供电池性能，完全克服锂空气电池的缺点。这种新的电池概念被Nature Energy称为“纳米锂阴极电池”。据介绍，新的研究成果由麻省理工学院核科学与工程学院教授李菊领导，以及与麻省理工、阿贡国家实验室和北京大学等其他成员联合研究的成果。

李菊说，锂空气电池的一个主要缺点是充电和放电之间的电压不匹配。电池的输出电压比充电时低1.2伏以上，这意味着在每个完整的充电过程中都会有巨大的能量损失。李菊说：“充电时，大约30%的电量以热量的形式损失。如果充电太快，它会自燃。”

氧气保持固态。

传统锂空气电池的工作原理……

如下所示：在放电过程中，锂空气电池从外部吸收氧气，并与电池中的锂发生化学反应。在充电过程中，发生了相反的化学反应，氧气再次释放到空气中。在这种新的变体电池中，锂和氧在充电和放电过程中具有相同的电化学反应，但在整个过程中不需要氧气的气体变化。

相反，氧总是以固态存在，并且可以在三种氧化还原状态之间直接切换，从而产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O3和过氧化锂锂LiO2，它们以玻璃的形式混合在一起。这样，电压损失可以提高五倍以上，从1.2伏提高到0.24伏，因此只有8%的电能转化为热量。李菊说：“这意味着汽车可以快速充电，因此电池组的燃烧问题将得到解决，不再构成安全隐患，电池的能效也将得到保证。”

此外，新型电池还解决了锂空气电池的另一个主要问题。由于充放电过程中发生化学反应，氧气以气态和固态存在，当氧气发生巨大的体积变化时，会扰乱电池内部的导电通路，严重损害电池的寿命。

据报道，新电池的奥秘在于制造出一种非常小的粒子，大约纳米级。玻璃状颗粒既可以含有锂，也可以含有氧，并被一个小的钴氧化物基质紧紧包围。研究人员将这些粒子称为纳米锂。李菊说，在这种形式下，氧化锂、过氧化锂和过氧化锂的转化可以完全以固态发生。

由于纳米氧化锂在正常状态下非常不稳定，研究人员将其放入钴氧化物的基质中。钴氧化物基质实际上是一种海绵状物质，每隔几纳米就有一个孔隙。钴氧化物基质一方面可以稳定纳米氧化锂，另一方面也可以作为化学反应的催化剂。

李菊教授补充说，传统的锂空气电池实际上是锂干氧电池，因为它根本无法处理湿度和二氧化碳。因此，锂空气电池中使用的进口空气需要仔细处理。“你需要一个大型辅助系统来除湿和去除二氧化碳，这非常困难。”然而，由于新型电池根本不需要吸入和排出气体，这个困扰锂空气电池的问题得到了解决。

不会过度充电

研究团队表示，新型电池本身具有过充电保护机制，在过充电的情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦发生过充电，化学物质立即转变为另一种形式，化学反应停止。李菊教授说：“传统电池在过充电时可能会造成不可逆的结构损坏，甚至爆炸。然而，对于纳米锂氧电池，我们已经连续过充电15天，这是其电池容量的100多倍，但电池完全没有损坏。”

在循环负载测试中，实验室版本的新型电池已经完成了120次充放电循环测试，整个过程中只损失了2%的能量，这意味着这种电池将具有较长的寿命。此外，这种电池使用非常方便，可以像传统的固体锂离子一样使用，不需要锂空气电池的各种辅助设备，可以快速方便地应用于汽车、电子设备甚至电网储能领域。

此外，由于这些“固态氧”阴极比传统的锂离子电池轻得多，因此在相同的阴极重量下，新型电池可以储存两倍的能量。研究团队表示，如果新电池在设计上进一步细化，最终的储能容量可以增加两倍以上。

李菊教授表示，整个过程没有添加任何昂贵的物质或材料。研究小组表示，新电池中用作液体电解质的碳酸盐是最便宜的。此外，钴氧化物的重量还不到纳米氧化锂重量的一半。总的来说，与锂空气电池相比，这种新型电池使用更广泛、更便宜、使用更安全。

据报道，研究团队希望在一年内将实验室研究成果应用于实际测试。俄勒冈州立大学助理教授纪秀蕾说：“这是一个重大突破……

并可能促进氧基电池技术的重大发展。在该系统中，商用碳酸盐电解质和过氧化物溶剂工作得非常好。而且，在这个封闭的空间里，不会产生气态氧气，这是非常令人印象深刻的。在整个循环过程中，阴极的所有活性物质都是固体，这不仅意味着巨大的能量密度，而且与当前电池声称的设备具有很大的兼容性。"

其他研究小组成员如下：麻省理工学院研究科学家Kushima Akihiro和Yin Zongyou，北京大学Lu Qi，阿贡国家实验室Khalil Amine和Jun Lu。整个研究得到了国家科学基金会和美国能源部的支持。

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