南开大学科研团队在锂
电池驱动未来
让电池“吸”入空气中的氧气，经过简略的化学反响，完成放电;充电时，放电产品经过可逆反响被分化，又从头开释出氧气。这意味着，结构简略、绿色环保、理论能量密度极高的锂-氧气电池，正在让“空气发电”的奇思妙想走进实际。
最近，南开大学研讨团队的研讨成果指向了一种新的可能性——把光引进锂-氧气电池，拓荒了构筑高效金属-空气电池的新思路。团队成员、南开大学化学学院博士后高苏宁解说说，这样能够直接将光在电池中完成转化和存储，为太阳能发电和存储供给了新策略。
日前，介绍该研讨成果的论文宣布在世界尖端学术刊物《美国科学院院刊》(PNAS)上。
比锂离子电池容量高3-5倍
从原理上看，锂-氧气电池显着不同于咱们了解的锂离子电池。
虽然锂离子电池阅历了几十年的技能革新，但原理仍是锂离子在正负极两头来回“奔驰”发生电流。
锂是化学元素周期表中最生动的元素，在锂离子电池中更像个运动健将。电池充电时，锂离子在正极上生成，它拼命穿过电池中的电解液冲到负极;负极是呈层状结构的碳，上面有许多微孔，抵达负极的锂离子一会儿就嵌入碳层的微孔之中。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
反过来，当咱们运用电池的时分，嵌在负极碳层中的锂离子就马上跳脱出来，快速“跑”回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。一般所说的电池容量指的便是放电容量。
跟着人们对锂离子电池能量密度的寻求越来越高，传统的含锂氧化物/石墨电池结构现已难以满意高比能量锂离子电池的需求。
在很多新式高比能量电池中，锂-氧气电池技能凭仗高理论能量密度(高达3600瓦时每公斤)，有望超越现有的锂离子电池技能，广受研讨人员重视。
与锂离子电池需求镍、钴、锰等元素做电极不同，锂-氧气电池的结构更简略，能够直接用锂金属作为负极，把空气中的氧气作为正极反响物。电池放电时，氧气在电池的多孔正极中被复原出来，与电解液中的锂离子结合生成放电物——过氧化锂，在外电路中发生电流;充电时，过氧化锂又可逆分化成锂和氧气。
从全新的构成就可看出其优势——锂-氧气电池能够完成比锂离子电池高得多的能量密度。
锂自身便是化学元素周期表中最轻的金属元素，而锂-氧气电池又是从空气中吸收氧气来充电，且可随时取用、无需存储，因而这种电池能够更小、更轻。与此一起，其单位质量能够贮存并开释的能量更多。
“现在公认锂-氧电池的能量密度是现有锂离子电池的3-5倍。”高苏宁说。这意味着，假如锂-氧气电池终究走向市场并用于电动汽车，将改动现在锂离子电池能量密度过低而导致的续航路程的瓶颈，关于清洁动力未来的开展有着重要的含义。
离“空气发电”又近了一步
虽然被认为是极具开展前景下一代电池系统，但其正极迟滞的反响动力学导致的充放电进程极化大、能量功率低一级问题极大地限制了锂-氧气电池的开展和运用的脚步。
极化，指的是充放电进程呈现的能量差。也便是说，充进去的电多，但终究能运用的电相对较少。
“现在，首要的解决办法是选用固体电催化剂和液体氧化复原前言来促进过氧化锂的生成和分化，以下降充/放电极化。”高苏宁说，即便是最高效的正极催化剂，锂-氧气电池的充电电压比放电电压高1.0V左右，意味着电池充完电，即便在不放电的情况下就现已丢失了30%左右。与此一起，可溶性氧化复原前言可能会分散到锂负极发生副反响，下降电池能量功率，“因而，探究新的反响机制以下降锂-氧气电池极化是十分必要的。”
研讨者发现，光激起半导体发生的光电子和空穴可极大提高电化学反响动力学。那么，选用能带结构适宜的半导体资料，将光引进锂-氧气电池中，就能明显提高正极反响动力学，下降充/放电过电压。
现在选用的半导体光吸收首要会集在紫外光区，仅占太阳光谱的4%，可有用运用的光十分少，与反响需求的光能严峻不匹配。“咱们就给锂-氧气电池规划一个特别的聚光镜，协助正极接受到更多的光能，然后加速电池反响。”这支由南开大学年青科学家组成的团队致力于将半导体资料运用于光呼应的锂-氧气电池和锌-空气电池中。他们发现，将金属纳米颗粒载入电池的正极，负载到多孔氮化碳上，研讨出金属/半导体异质结提高氧气复原和分出反响动力学。
成果发现，金属/半导体异质结可大幅提高可见光的吸收，异质结界面处的空间电荷层可延长光生电子和空穴寿数，一起提高氧气复原反响动力学，促进放电产品过氧化锂的生成。充电时也可高效氧化过氧化锂，开释出氧气。
改善后的锂-氧气电池的放电电压提高到3.16V，超越了无光照时的平衡电压200mV，意味着在放电进程中，锂-氧气电池也能够将部分光能被转化成电能输出;充电时，光能被转化成化学能存储在锂-氧气电池中，使充电电压降至3.26V，电池的充/放电电压差减小至0.2V，一起也获得了优异的电池倍率功能和循环安稳性，使得电池容量更大且输出电流更安稳。
但是，让前沿的电池技能从实验室，走入真实的工厂中，还有很长的路要走。规划制作新式电池，也成为各国剧烈竞赛的范畴。让研讨者们欢喜的是，从世界范围看，很多的资金和人才正在注入新一代电池业，能够预见，全新动力革新的年代现已敞开。
