使用高度多孔的石墨烯電極，科學(xué)家們開發(fā)了一種基于實驗室的鋰氧電池演示器，該鋰離子電池比以前的設(shè)計具有更高的容量，更高的能源效率和更高的穩(wěn)定性。

科學(xué)家開發(fā)了一種工作中的鋰氧電池演示器，該鋰氧電池具有很高的能量密度，效率超過90％，迄今為止，可以充電2000次以上，顯示出阻礙開發(fā)的幾個問題這些設(shè)備中的一個可以解決。

鋰氧電池或鋰空氣電池由于其理論能量密度而被吹捧為“終極”電池，是鋰離子電池的十倍。如此高的能量密度可以與汽油媲美，并且只需一次充電，便能使配備電池的電動汽車從倫敦到愛丁堡，其成本僅為目前市場上電動汽車的五分之一，而重量僅為其重量的五分之一。

但是，與其他下一代電池一樣，在鋰空氣電池成為汽油的可行替代品之前，還需要解決一些實際挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，來自劍橋大學(xué)的研究人員已經(jīng)展示了如何克服這些障礙，并開發(fā)了一種基于實驗室的鋰氧電池演示器，該演示器比以前的嘗試具有更高的容量，更高的能源效率和更高的穩(wěn)定性。

他們的演示者依靠由石墨烯制成的高度多孔，“蓬松”碳電極（包含一個單原子厚的碳原子片）和可改變電池工作中化學(xué)反應(yīng)的添加劑，從而使其更穩(wěn)定，更高效。盡管該結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上是令人鼓舞的，但研究人員告誡說，實用的鋰空氣電池至少還有十年之遙。

克萊爾教授說：“我們所取得的成就是這項技術(shù)的重大進(jìn)步，并為整個研究領(lǐng)域提供了新的建議-我們尚未解決該化學(xué)方法固有的所有問題，但我們的結(jié)果確實顯示了邁向?qū)嵱迷O(shè)備的途徑?！眲虼髮W(xué)化學(xué)系的格雷，該論文的高級作者。

除電池外，我們每天使用的許多技術(shù)每年都在變得越來越小，越來越快，越來越便宜。除了可以持續(xù)使用數(shù)天而不需要充電的智能手機(jī)外，與制造更好的電池相關(guān)的挑戰(zhàn)還阻礙了兩種主要清潔技術(shù)的廣泛采用：電動汽車和用于太陽能的網(wǎng)格規(guī)模存儲。

“以最簡單的形式，電池由三部分組成：正極，負(fù)極和電解質(zhì)，”化學(xué)部的劉濤博士說。他也是該論文的第一作者。

在我們用于筆記本電腦和智能手機(jī)的鋰離子（Li-ion）電池中，負(fù)極由石墨（一種碳的形式）制成，正極由金屬氧化物（例如鈷酸鋰）制成，并且電解質(zhì)是溶解在有機(jī)溶劑中的鋰鹽。電池的作用取決于電極之間鋰離子的運動。鋰離子電池很輕，但是容量會隨著時間的流逝而降低，并且其相對較低的能量密度意味著它們需要經(jīng)常充電。

在過去的十年中，研究人員一直在開發(fā)各種可替代鋰離子電池的替代品，并且鋰空氣電池由于其極高的能量密度而被認(rèn)為是下一代能量存儲的終極產(chǎn)品。然而，先前在工作的示威者的嘗試效率低，速率性能差，不希望的化學(xué)反應(yīng)，并且只能在純氧氣中循環(huán)。

他們的同事開發(fā)的化學(xué)方法與早期的非水鋰空氣電池嘗試所用的化學(xué)方法非常不同，它依靠氫氧化鋰（LiOH）而不是過氧化鋰（Li2O2）。通過添加水和使用碘化鋰作為“介體”，他們的電池顯示出很少的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致電池死亡，從而使其在多次充電和放電循環(huán)后更加穩(wěn)定。

通過精確地設(shè)計電極的結(jié)構(gòu)，將其改變?yōu)楦叨榷嗫椎氖┬问?，添加碘化鋰，并改變電解質(zhì)的化學(xué)組成，研究人員能夠?qū)⒊浞烹娭g的“電壓間隙”減小到0.2伏。較小的電壓間隙等于更高效的電池–以前版本的鋰空氣電池只能將間隙降低至0.5 – 1.0伏，而0.2伏與鋰離子電池更接近，相當(dāng)于能源效率為93％。

盡管僅在一定的充電和放電速率下，高度多孔的石墨烯電極還大大提高了演示器的容量。仍然必須解決的其他問題包括找到一種保護(hù)金屬電極的方法，以使其不會形成被稱為樹枝狀晶體的尖銳的鋰金屬纖維，如果它們長得太大，會導(dǎo)致電池爆炸并使電池短路。

此外，演示器只能在純氧氣中循環(huán)，而我們周圍的空氣還包含二氧化碳，氮氣和濕氣，所有這些通常對金屬電極有害。

劉說：“還有很多工作要做?！薄暗俏覀冊谶@里看到的結(jié)果表明，有一些方法可以解決這些問題-也許我們只需要對事物有所不同即可。”

“盡管仍有很多基礎(chǔ)研究需要完成，以消除一些機(jī)械細(xì)節(jié)，但當(dāng)前的結(jié)果非常令人激動–我們?nèi)蕴幱陂_發(fā)階段，但是我們已經(jīng)表明了解決方案與這項技術(shù)相關(guān)的一些棘手問題。