锂空气电池设计有望增加储能、电动汽车续航里程

鉴于锂离子电池在现代世界中发挥的重要作用，研究人员不断尝试开发更安全、更节能的电池技术。

在最近发表的一篇论文中，由美国能源部 （DOE） 阿贡国家实验室的科学家领导的一个团队揭示了他们对固体电解质的关键见解，他们正在测试用于全固态电池。

与传统锂离子电池中使用的液体电解质不同，全固态电池使用固体电解质而不是液体电解质，既不挥发也不易燃。它们正在成为未来开发轻质、能量密度高、更持久且更安全的锂离子电池的关键技术。

这种设计可以从根本上延长电动汽车的行驶里程，同时显著减轻电池的重量和尺寸。

锂空气电池内部新电池使用基于含锂纳米颗粒的固体复合电解质。电解质嵌入由陶瓷-聚乙烯 （CPE） 氧化物聚合物制成的基质中。

原理图显示了由锂金属阳极、空气基阴极和固体陶瓷聚合物电解质 （CPE） 组成的锂空气电池单元。放电和充电后，锂离子 （Li+） 从阳极进入阴极

这种固态锂空气电池是第一个在室温下实现四电子化学反应的电池。在四电子化学反应中，四个电子在两种化学物质之间转移。这种类型的反应虽然在电化学等各个领域都很常见，但在室温下运行的锂空气电池中是一项前所未有的壮举。大多数锂反应涉及一个或两个电子。

涉及更多电子的反应会产生更大的能量储存。四电子反应产生氧化锂 （Li₂O） 而不是传统的超氧化物锂 （LiO2） 或过氧化锂 （Li2O2），这两者都限制了能量输出。

这种化学成分中的一个关键元素是一种称为磷酸三钼 （Mo₃P） 的强效催化剂。该催化剂有助于关键的四电子转移，同时确保反应在长期使用中保持稳定。

研究人员表示，随着这一发展，他们的锂空气设计可以达到创纪录的 1,200 Wh/kg 能量密度。该密度比当今锂离子电池的密度高 4 倍。

什么是 LLZO？

研究表明，由锂镧锆石榴石（LLZO，或拥有化学学位的听众 Li7La3Zr2O12）制成的固体电解质是这种电池的最佳候选者。这种材料因其强度和耐用性而脱颖而出。它还因其导电性或充电和放电过程中在电极之间轻松移动锂离子而著称。

为了使固体电解质 LLZO 变得更好，研究人员一直在尝试添加少量元素，如铝或镓，以提高 LLZO 传导锂离子的能力。这个过程被称为兴奋剂。掺杂是指添加少量的另一种元素来改变和改善材料的性能。

掺杂铝和镓有助于 LLZO 保持最对称的结构并创造空隙。这些空间使锂离子更容易从电极中逸出并提高导电性。然而，掺杂会使 LLZO 与锂金属发生更强的反应，从而缩短电池的循环寿命。然而，研究人员在这里表明，电池可以充电至少 1,000 次充放电循环。

在这项研究中，研究人员检查了当含有铝或掺镓的 LLZO 接触金属锂时会发生什么。了解 LLZO 为什么根据添加的掺杂剂而表现不同，将有助于科学家为稳定可靠的固态电池设计更好的材料。

镓掺杂对 LLZO 的影响

掺镓 LLZO 很有吸引力，因为它的离子电导率比掺铝 LLZO 高得多。然而，这些掺杂剂在与锂接触时的反应性使研究人员确定，为了使用镓，需要一个界面层来保护和保持其导电性，但会阻止其反应性。

使用计算和实验技术，研究人员发现镓往往更容易从电解质中移出，并且更倾向于与锂反应形成合金。这会导致镓的数量减少。镓的损失会导致锂改变其结构并降低离子电导率。相反，掺铝的 LLZO 保持完整。

“了解掺杂剂如何与锂反应很重要，”阿贡物理学家、该论文的首席研究员彼得·扎波尔 （Peter Zapol） 说。“这是对良好电解质的另一个要求，而不仅仅是高导电性。”

在这种情况下，研究人员能够测量掺杂材料的关键特性。同时，他们从原子级的角度了解了锂金属和固体电解质之间的界面上发生了什么。

研究人员使用一种称为密度泛函理论的强大计算机方法（一种研究原子和电子在材料中的行为的量子力学建模方法），能够预测各种掺杂剂的稳定性以及它们将如何与其他物质反应。

在考虑用于下一代电池的所有技术中，锂空气电池具有最高的预计储能密度。因此，这项技术将大大增加电池可以存储的能量。使用固态电解质而不是液体电解质也将大大减少火灾引起的安全问题。

此外，这一发现为设计在室温下工作的锂基电池化学开辟了新思路。这些未来的设计可以实现更大的能量存储。