美国麻省理工学院(MIT)与桑迪亚国家实验室(Sandia Nationaal Laboratory)的研究人员在锂-空气电池领域取得了人们期盼已久的进展。该研究为锂-空气电池充电时发生的电化学反应带来了新的洞见。
据spectrum.ieee.org网站5月18日报道，锂-空气电池有望实现五至十倍于传统锂离子电池的蓄电能力，因此很多人认为他们可能已经掌握了解题的关键，能将电动汽车从汽车业的一个利基市场转化成更加庞大的细分市场。
毋庸置疑，电动汽车仍然是媒体报道的焦点，比如最近赢得《消费者报告》(Consumer Reports)有史以来汽车类别最高评分的特斯拉Model S汽车(Tesla Model S)。我猜《消费者报告》的编辑们一定不会介意其425公里的续航里程或者长达数小时的充电时间。
要使电动汽车更加契合人们对现有的化石燃料动力汽车的惯性期待——也就是说650公里的续航里程以及约两分钟加满油行驶下一个650公里——那么，为这些全电动汽车供能的电池技术就得实现一场大的飞跃。
尽管眼下我们用来给电动汽车供能的锂离子电池一直以来也都在改进，但一种流传很久的说法是，从技术上讲，当初启用锂离子电池可能是选错了道。
若要使电池的性能与化石燃料相媲美，那么电池的能量密度就需达到约1000瓦时/千克。而眼下我们所使用的锂离子电池，就算性能翻番也只能达到400瓦时/千克。正如美国前能源部部长朱棣文(Steven Chu)所言，电池科技若要与内燃机相抗衡，其蓄电能力还得提升至当今电池的六到七倍。
而就是在这一点上，锂-空气电池以其十倍于锂离子电池的蓄电能力强势登场。但时至今日，这种电池除了在高度受控的实验室环境内可行之外，要在其他任何地方实现应用仍然是个重大的难题。
在发表于美国化学学会(ACS)期刊《纳米快报》(NANO Letters)的论文(《用原位透射电镜观察过氧化锂电化学氧化反应的研究》)中，麻省理工学院和桑迪亚国家实验室的研究人员使用透射电子显微镜(TEM)，深入探究了阻碍锂-空气电池进展中的一个难题——析氧反应。
研究人员正是在这一反应中首次观察到了过氧化锂(Li2O2)的氧化。过氧化锂是锂-空气电池放电过程中产生的副产物。观察显示，过氧化锂主要在电池基板的界面生成，后者由多壁碳纳米管制成。
在该位置，过氧化锂阻碍电子流动，从而阻碍电池充电。然而，研究人员还发现，在充电时，当电子通过碳纳米管时，放电时形成的过氧化锂又会逐渐缩小。这意味着，如果能加快电池的电子转移，那么也就能提升这些电池的充电速度。
“这篇论文找出了关键的制约因素——电子转移。”美国西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)研究员Jie Xiao表示。这一例子向我们展示，基础研究可以显著提升我们在实践应用中化解难题的能力。论文中所提供的信息将对锂-空气电池中空气电极的合理化设计提供洞见。
虽然该研究仍然没有为这些电池在实验室环境之外的应用指明道路，但选取一种至少有望让电动汽车与化石燃料驱动汽车相比肩的电池科技作为未来的道路，也不失为明智之举。
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