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Ｈ欢陙?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),。“我們的工作首次展示了一種自我組裝的,、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),。“這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�,！�
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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),。“我們的工作首次展示了一種自我組裝的,、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,�,！�
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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),。“這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,。
