锂空气电池利用碳纳米管向实用化迈进

日前,物质材料研究机构的研究团队获得了一项研究成果,通过将碳纳米管应用在正极材料上,增强了人们对锂空气电池迈向实用化的期待。

作为下一代的充电电池,锂空气电池备受期待,其具有负极为锂金属而正极为空气的构造。锂从负极溶解释放,在正极与氧发生反应,析出过氧化锂(Li2O2),通过上述电化学反应产生电流。其特点在于,由于正极的氧能够从空气中获取,因此只要在负极侧补给负极侧金属锂,就能维持放电功能。迈向实用化的一大问题就在于,如果析出的过氧化锂层过厚,就会导致电流无法通过,进而导致电化学反应终止。这是因为过氧化锂是绝缘体。

物质材料研究机构的能量环境材料研究基地、纳米材料科学环境基地、锂空气电池特别推进团队的负责人久保佳实、研究员野村晃敬等人认为,在正极使用将碳纳米管做成片状的材料或许可以解决这一难题。实际上,已经确认到,由于放电而产生的过氧化锂散布在片状的碳纳米管上,不会使电化学反应立刻停止,而是能够持续地析出该过氧化锂。

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锂空气充电电池的概念图(物质材料研究机构提供)

片状碳纳米管的厚度会膨胀到放电前的3倍。过氧化锂的析出量越大,就意味着蓄电容量越大。目前可以确定,能够得到的蓄电容量可以达到现在市面上广泛使用的锂电池的15倍。充电(分解过氧化锂)时,析出物消失,碳纳米管恢复到原来的厚度。

研究团队认为,正是碳纳米管巨大的比表面积和柔软的结构带来了如此巨大的体积变化,使其能够达到极高的蓄电容量。

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扫描电子显微镜下的负极照片。放电后(左)大量析出的过氧化锂在充电后(右)被分解,只能看到碳纳米管(物质材料研究机构提供)

目前的锂电池由于体积小、电压高、寿命长等优点,被广泛应用于以手机为代表的各种电子产品上,并且有望将使用范围扩大到电动汽车的动力源、用电量均衡化的蓄电装置等。最近,新能源产业技术综合开发机构和德国下萨克森州公布了共同启动大规模混合蓄电系统的构建实证项目计划。目标是通过蓄电池的充电和放电,来使得用于调整电力供给平衡的电力系统变得更加稳定,而该电力供给平衡在引入再生能源过程之中不可或缺。在这项实证项目中,也使用了日立化成(译者注,全称为“日立化成株式会社”)的锂离子电池。

另一方面,具有广泛用途的锂离子电池无论在蓄电容量还是成本方面都几乎达到了极限。也有课题指出,即便是将其用于电动汽车,也会由于蓄电容量较小而导致续航里程受到限制,因此业界对新一代的锂空气电池寄予了厚望。

相关链接(日本語)
物質・材料研究機構プレスリリース「カーボンナノチューブ空気極により超高容量なリチウム空気電池を開発」
http://www.nims.go.jp/news/press/2017/04/201704050.html

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「日德进行大规模蓄电池系统实证事业 为再生能源时代做准备」
http://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_hj/pt20170508095108.html

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