一体化设计，让锂空气电池有安全呼吸的空间

科学家们说，中国研究人员公布的一种新型锂空气电池比同类电池容量更高、循环寿命更长、稳定性更好。该装置将固体沸石电解液与两个电极集成，可能标志着这种电池在电动汽车和能源存储方面的可行性迈出了重要一步。

锂-空气电池通常使用纯锂阳极和某种形式的多孔碳阴极。当电池放电时，锂离子从阳极流向阴极，在那里它们遇到了流过外部电路的电子，并与空气中的氧气反应。当电池充电时，这一过程就反过来了。由于锂具有很高的正电性，而且非常轻，而空气实际上是无质量的，因此锂-空气电池在所有电池类型中具有最高的理论最大比能量密度。

然而，在实践中，设计一个可行的可充电设备被证明是极具挑战性的。锂的极端反应性是一把双刃剑:它可以储存大量的能量，但很难以可控、安全、可逆的方式释放这些能量。最初的设计使用了各种液体电解质。然而，锂与水发生剧烈反应，这在含水电解质中产生了问题，而有机电解质容易发生副反应。“锂的内在热力学不稳定性带来了阳极和有机电解质之间的连续和不可逆的反应，导致电解质分解，并伴随着锂金属阳极的腐蚀，”解释道传统徐长春吉林大学教授。通常会有一个离子导电的“分离器”来保护锂，但尽管如此，将这样一个系统——尤其是如果它含有易燃的有机电解质——放在必须暴露在空气中的电池中，会造成严重的安全问题。

因此，研究人员越来越多地转向固体电解质。然而，这些都带来了自身的问题:为了让电池高效工作，电解液材料必须具有高离子电导率、低电导率，并与锂电极保持良好接触，以最小化接触电阻。最后，当电化学循环时，它不应该与锂或氧发生反应。事实证明，寻找这样的材料非常棘手。

Xu和他的同事用化学气相沉积的方法在不锈钢网上生长氮掺杂碳纳米管，形成阴极。然后，他们加入了高度单晶，5μm厚的含锂沸石层作为电解质。最后，他们将熔融的锂直接浇铸在其背面形成阳极。“这是第一个为锂-空气电池设计的集成阴极/固体电解质/阳极，”解释说Jihong余同为吉林大学教授的他和徐教授一起领导了这项研究。

研究人员将他们的产品与其他多种类型的锂空气电池进行了测试，发现它在几个方面都有优势。尽管它很薄，沸石保护金属阳极免受氧气腐蚀的时间比标准的商业固态电解质长几个数量级，并提供了出色的电绝缘，同时锂离子的导电性更强。尽管许多其他类型的固态锂-空气电池的循环稳定性开始恶化，有时在短短10次充放电循环后，它们的电池在近150次循环中以接近最大容量运行。在这一点上，碳酸锂(锂与副反应中形成的二氧化碳反应时产生的)开始使阴极失活。这是一个常见的问题在锂空气电池,解释说,“公司的发展₂阴极表面的选择性吸收或阻挡膜或探索和构建更稳定的无碳阴极被认为是缓解碳酸锂生成的有效选择。研究人员现在正在努力将他们的沸石膜设计扩展到锂空气电池之外的其他类型的锂电池，以及钠和镁电池等等。

“沸石材料的进展令人兴奋——这是毫无疑问的，”他说雪莉孟加州大学圣地亚哥分校教授。“就电池性能而言，我不可能评估进展情况，因为报告没有遵循我们在该领域的常见做法。无论如何，我很高兴看到他们的团队正在解决我们领域中最难的问题之一，并取得了良好的进展。”