近日，來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州州立大學(xué)北嶺分校的研究人員在《Nature》上發(fā)表了一篇研究成果，稱(chēng)已經(jīng)成功研發(fā)出“鋰空氣”電池，該技術(shù)產(chǎn)品最終可能成為鋰離子電池的最佳替代者，有可能幫助突破電動(dòng)汽車(chē)里程瓶頸。

過(guò)去的鋰空氣電池工作受到生命周期短和需要使用純氧(因此稱(chēng)為鋰-氧電池)的阻礙;因此氧氣罐必須是電池系統(tǒng)的一部分，由于但由于所占空間大，使其一般不能用于電動(dòng)車(chē)輛。而最新研發(fā)的使用外部空氣的鋰空氣電池消除了這個(gè)問(wèn)題。

這項(xiàng)工作的主要特點(diǎn)包括鋰金屬陽(yáng)極的新保護(hù)涂層，該保護(hù)涂層可防止陽(yáng)極與氧發(fā)生反應(yīng)從而惡化，以及允許電池在空氣中運(yùn)行的新型電解質(zhì)混合物。在空氣環(huán)境下的測(cè)試中，該電池在700次循環(huán)中保持了高性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以前的技術(shù)。

“能量?jī)?chǔ)存容量約為鋰離子電池的3倍，而在進(jìn)一步研究的情況下，可以實(shí)現(xiàn)5倍儲(chǔ)能。”“這將是超越鋰離子電池的重要一步。”芝加哥伊利諾伊大學(xué)首席研究員Amin Salehi-Khojin表示。如果鋰空氣電池可以最終走向市場(chǎng)，電動(dòng)汽車(chē)也將擁有和汽油車(chē)同樣級(jí)別的續(xù)航里程!這對(duì)清潔能源未來(lái)的發(fā)展也將有著重要意義。

芝加哥伊利諾伊大學(xué)的研究人員對(duì)電池進(jìn)行了測(cè)試、分析和表征，而阿貢的研究人員主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)科學(xué)計(jì)算研究，以確定該系統(tǒng)在空氣中的工作方式，以及哪些因素有助于提高循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作由約500個(gè)原子大小的系統(tǒng)上的數(shù)十個(gè)從頭開(kāi)始的分子動(dòng)力學(xué)模擬組成——這樣的計(jì)算很密集且需要使用領(lǐng)導(dǎo)級(jí)計(jì)算設(shè)施。

他們使用納米材料中心(CNM)高性能計(jì)算集群在較小尺寸(約200個(gè)原子)上進(jìn)行初始運(yùn)行;根據(jù)Argonne材料科學(xué)部的助理材料科學(xué)家Badri Narayanan和論文作者的說(shuō)法，他們每周要用上約128個(gè)核心。

在Argonne Leadership Computing Facility的Vesta系統(tǒng)上進(jìn)行了大型系統(tǒng)(500個(gè)原子)的更長(zhǎng)生產(chǎn)運(yùn)行。在ALCF上，他們使用了512個(gè)計(jì)算內(nèi)核，每個(gè)運(yùn)行周期為3周。所有計(jì)算均使用高度平行密度泛函理論代碼(VASP)進(jìn)行。這些新知識(shí)對(duì)于科學(xué)家繼續(xù)努力開(kāi)發(fā)全尺寸鋰空氣電池應(yīng)該是至關(guān)重要的。

以下是論文摘要的精華部分：

“然而，迄今為止，由于涉及陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的副反應(yīng)，這樣的系統(tǒng)基本上局限于純氧環(huán)境(鋰-氧電池)并且循環(huán)壽命有限。在存在氮?dú)狻⒍趸己退魵獾那闆r下，這些副反應(yīng)可能變得更加復(fù)雜。此外，由于需要儲(chǔ)存氧氣、鋰-氧體系的體積能量密度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言可能太小。在這里，我們看到了一個(gè)包含碳酸鋰基保護(hù)陽(yáng)極，二硫化鉬陰極和離子液體/二甲基亞砜電解質(zhì)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作，循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)700次。

“我們進(jìn)行計(jì)算研究，以深入了解該環(huán)境中系統(tǒng)的運(yùn)行情況。這種在類(lèi)似空氣的氣氛中循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰-氧電池的展示是超越鋰離子技術(shù)向該領(lǐng)域發(fā)展的重要步驟，可能獲得比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度離子電池。”