鋰離子電池已廣泛用于許多電子設(shè)備，在我們?nèi)粘Ｉ钪泻苤匾�。然而，二十年�?lái)，穩(wěn)步提高10-15%之后，鋰離子電池的能量密度目前已接近其理論極限，制約它能量的，就是這些電池使用的陰極和陽(yáng)極材料。因此，近年來(lái)，全球都積極追求下一代能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。
有一種這樣的系統(tǒng)就是金屬/空氣電池，它具有高得多規(guī)格能量，勝過(guò)現(xiàn)有的大多數(shù)原電池和充電電池。
“金屬/空氣電池是獨(dú)特的，因?yàn)檎龢O活性材料不是存儲(chǔ)在電池中，”張基廣(Ji-Guang Zhang)博士說(shuō)，他是西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)轉(zhuǎn)型材料科學(xué)項(xiàng)目的研究員�！跋喾�，環(huán)境中的氧氣被還原，在空氣電極內(nèi)的催化表面，形成一種氧物化或過(guò)氧化氫離子(peroxide ion)，進(jìn)一步與電解液中的陽(yáng)離子(cationic)成分反應(yīng)。Li/O2偶特別有吸引力，因?yàn)樗赡芫哂凶罡叩囊?guī)格能量，在所有已知的電化學(xué)偶中都是這樣。”
在迄今探討的各種電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰空氣電池最有前途的一種技術(shù)，理論能量密度接近十倍于傳統(tǒng)的鋰離子電池。這是因?yàn)殇嚱饘僮鳛殛?yáng)極，容量十倍于傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極，而氧氣作為鋰空氣電池的正極，可從環(huán)境中自由吸收，這就顯著減少了電池重量和成本。
為了用于實(shí)用設(shè)備如電動(dòng)汽車(chē)，研究人員期望，鋰-空氣電池達(dá)到約800瓦時(shí)/千克的能量密度，這就三倍于最先進(jìn)的鋰離子電池。因此，鋰-空氣電池有極大潛力，可進(jìn)行許多應(yīng)用，這就要求能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)要超越鋰離子電池，如遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車(chē)，每次充電可以行駛500多公里。
報(bào)道他們的成果，是在2011年10月10日《納米快報(bào)》(Nano Letters)在線版，題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode)，張基廣和他在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的小組證明，一種新的空氣電極，包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片(無(wú)催化劑)，可帶來(lái)極高的鋰氧電池容量，就是15000毫安時(shí)/克，這是這一領(lǐng)域有史以來(lái)報(bào)道的最高值。
這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響，如電解質(zhì)成分，宏觀結(jié)構(gòu)的空氣電極，微觀直到納米結(jié)構(gòu)的含碳材料。反應(yīng)產(chǎn)物(如Li2O2)沉淀在含碳電極上，最終會(huì)阻塞氧氣通道，限制鋰-空氣電池的容量。
太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室小組最近的工作，最大限度地減輕了空氣電極阻塞問(wèn)題，顯著提高了的容量。
“以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或澆鑄成一種堆疊式二維結(jié)構(gòu)，這就限制了它的可用容量，”張基廣說(shuō)�！拔覀兊墓ぷ魇状握故玖艘环N自我組裝的、雙峰石墨烯結(jié)構(gòu)，既有微米大小的開(kāi)放孔隙，可加快氧氣擴(kuò)散，也有大量納米孔隙(2-50納米)，可催化Li-O2反應(yīng)，同時(shí)防止過(guò)快增長(zhǎng)的放電產(chǎn)物阻塞化學(xué)通道。”
此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能組，有利于形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒，有助于防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)使用這種結(jié)構(gòu)的大多數(shù)石墨薄片。
制備空氣電極采用功能化石墨烯薄片時(shí)，這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，這種溶液也包含電極粘結(jié)劑材料。經(jīng)澆鑄并干燥后，非常不尋常的形態(tài)就會(huì)制成。
“令人驚訝的是，這種功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆積的“破蛋”結(jié)構(gòu)，留下很大的相互連接的隧道，一直穿進(jìn)整個(gè)電極深處，”張基廣說(shuō)�！斑@些隧道作用就像眾多的動(dòng)脈，不斷供應(yīng)氧氣進(jìn)入電極內(nèi)部，在放電過(guò)程中就是這樣。更重要的是，這種復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)在電解液滲透后仍然保留下來(lái)，不像測(cè)試過(guò)的其他多孔碳材料�！�
他們用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察“碎蛋”的“殼”，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些“殼”包含許多較小的連續(xù)納米孔，連通大隧道。張基廣指出，這種獨(dú)特的形態(tài)是一種理想的設(shè)計(jì)，可用于空氣電極。“在放電過(guò)程中，強(qiáng)大的大型隧道可以作為“高速公路”，供應(yīng)氧氣進(jìn)入空氣電極內(nèi)部，同時(shí)，壁上的小孔都是出口，提供三相(固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài))區(qū)域，進(jìn)行氧氣還原。”
一些障礙仍然需要克服，之后這種電池系統(tǒng)才可以大規(guī)模應(yīng)用。主要障礙包括：放電速度低;電解質(zhì)穩(wěn)定性和鋰-空氣電池的可逆性;需要氧氣選擇性膜，以減輕容量退化，這種退化源自水分滲透;需要防止鋰枝晶(dendrite)生長(zhǎng)，以延長(zhǎng)循環(huán)壽命。
有一種這樣的系統(tǒng)就是金屬/空氣電池，它具有高得多規(guī)格能量，勝過(guò)現(xiàn)有的大多數(shù)原電池和充電電池。
“金屬/空氣電池是獨(dú)特的，因?yàn)檎龢O活性材料不是存儲(chǔ)在電池中，”張基廣(Ji-Guang Zhang)博士說(shuō)，他是西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)轉(zhuǎn)型材料科學(xué)項(xiàng)目的研究員�！跋喾�，環(huán)境中的氧氣被還原，在空氣電極內(nèi)的催化表面，形成一種氧物化或過(guò)氧化氫離子(peroxide ion)，進(jìn)一步與電解液中的陽(yáng)離子(cationic)成分反應(yīng)。Li/O2偶特別有吸引力，因?yàn)樗赡芫哂凶罡叩囊?guī)格能量，在所有已知的電化學(xué)偶中都是這樣。”
在迄今探討的各種電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰空氣電池最有前途的一種技術(shù)，理論能量密度接近十倍于傳統(tǒng)的鋰離子電池。這是因?yàn)殇嚱饘僮鳛殛?yáng)極，容量十倍于傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極，而氧氣作為鋰空氣電池的正極，可從環(huán)境中自由吸收，這就顯著減少了電池重量和成本。
為了用于實(shí)用設(shè)備如電動(dòng)汽車(chē)，研究人員期望，鋰-空氣電池達(dá)到約800瓦時(shí)/千克的能量密度，這就三倍于最先進(jìn)的鋰離子電池。因此，鋰-空氣電池有極大潛力，可進(jìn)行許多應(yīng)用，這就要求能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)要超越鋰離子電池，如遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車(chē)，每次充電可以行駛500多公里。
報(bào)道他們的成果，是在2011年10月10日《納米快報(bào)》(Nano Letters)在線版，題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode)，張基廣和他在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的小組證明，一種新的空氣電極，包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片(無(wú)催化劑)，可帶來(lái)極高的鋰氧電池容量，就是15000毫安時(shí)/克，這是這一領(lǐng)域有史以來(lái)報(bào)道的最高值。
這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響，如電解質(zhì)成分，宏觀結(jié)構(gòu)的空氣電極，微觀直到納米結(jié)構(gòu)的含碳材料。反應(yīng)產(chǎn)物(如Li2O2)沉淀在含碳電極上，最終會(huì)阻塞氧氣通道，限制鋰-空氣電池的容量。
太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室小組最近的工作，最大限度地減輕了空氣電極阻塞問(wèn)題，顯著提高了的容量。
“以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或澆鑄成一種堆疊式二維結(jié)構(gòu)，這就限制了它的可用容量，”張基廣說(shuō)�！拔覀兊墓ぷ魇状握故玖艘环N自我組裝的、雙峰石墨烯結(jié)構(gòu)，既有微米大小的開(kāi)放孔隙，可加快氧氣擴(kuò)散，也有大量納米孔隙(2-50納米)，可催化Li-O2反應(yīng)，同時(shí)防止過(guò)快增長(zhǎng)的放電產(chǎn)物阻塞化學(xué)通道。”
此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能組，有利于形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒，有助于防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)使用這種結(jié)構(gòu)的大多數(shù)石墨薄片。
制備空氣電極采用功能化石墨烯薄片時(shí)，這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，這種溶液也包含電極粘結(jié)劑材料。經(jīng)澆鑄并干燥后，非常不尋常的形態(tài)就會(huì)制成。
“令人驚訝的是，這種功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆積的“破蛋”結(jié)構(gòu)，留下很大的相互連接的隧道，一直穿進(jìn)整個(gè)電極深處，”張基廣說(shuō)�！斑@些隧道作用就像眾多的動(dòng)脈，不斷供應(yīng)氧氣進(jìn)入電極內(nèi)部，在放電過(guò)程中就是這樣。更重要的是，這種復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)在電解液滲透后仍然保留下來(lái)，不像測(cè)試過(guò)的其他多孔碳材料�！�
他們用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察“碎蛋”的“殼”，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些“殼”包含許多較小的連續(xù)納米孔，連通大隧道。張基廣指出，這種獨(dú)特的形態(tài)是一種理想的設(shè)計(jì)，可用于空氣電極。“在放電過(guò)程中，強(qiáng)大的大型隧道可以作為“高速公路”，供應(yīng)氧氣進(jìn)入空氣電極內(nèi)部，同時(shí)，壁上的小孔都是出口，提供三相(固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài))區(qū)域，進(jìn)行氧氣還原。”
一些障礙仍然需要克服，之后這種電池系統(tǒng)才可以大規(guī)模應(yīng)用。主要障礙包括：放電速度低;電解質(zhì)穩(wěn)定性和鋰-空氣電池的可逆性;需要氧氣選擇性膜，以減輕容量退化，這種退化源自水分滲透;需要防止鋰枝晶(dendrite)生長(zhǎng)，以延長(zhǎng)循環(huán)壽命。
