[技术前沿]新型氧离子电池将会使电池的寿命大幅增加

[技术前沿]新型氧离子电池将会使电池的寿命大幅增加

锂离子电池储存能量非常高效，这使得大量能量可装入一个相当小的电池中。但锂离子电池会随着时间的推移而退化，储存电量越来越少，且易着火。奥地利维也纳工业大学研究人员正试图通过一项新发明来解决其中的一些问题，他们已成功开发出一种性能可与锂离子电池媲美的氧离子电池，据称这种电池寿命极长。相关论文即将发表在美国《先进能源材料》杂志上。

钠、镁和钾都在争夺取代锂在未来可充电电池中的位置。现在，奥地利的研究人员在混合物中加入了一种不同寻常的竞争者：氧气。

该团队制造了一种新的氧离子电池，与锂离子相比，该电池可以储存约三分之一的能量，但寿命更长。它还使用了丰富的材料，使用固体电解质意味着它不可燃。

“How it works is actually very similar to a lithium-ion battery except with oxygen.”—Alexander Schmid, TU Wien

电池在200至400°C的温度范围内工作。维也纳理工大学化学技术与分析研究所研究员Alexander Schmid表示，这种更高的工作温度和更低的能量密度使其最适合固定用途，如电网或备用电力的可再生能源存储。Schmid和他的同事在《先进能源材料》杂志上报道了这种新型电池。

考虑到锂离子电池的高成本和对钴和锂等地理储量有限的材料的依赖，以及其起火的可能性，锂离子电池在电网存储方面可能存在问题。液流电池将能量储存在装有低成本化学品的大型储罐中，显示出电网存储的前景，但其中使用的材料，如钒，价格昂贵。与此同时，钠硫和熔盐等其他电池技术，就像锂离子电池一样，使用挥发性液体电解质，如果设备出现故障，可能会带来安全风险。

Schmid和他的同事利用两种不同氧化物的薄膜作为电极，制作了一种电池，这是目前实验室规模的小型原型。这些氧化物是通常用于固体氧化物燃料电池的陶瓷。他们选择了另一种陶瓷材料，氧化钇稳定氧化锆作为固体电解质。

Schmid说：“除了氧气之外，它的工作原理实际上与锂离子电池非常相似。” 它们通过获得或失去电子来获得电荷的离子原子在两个表面之间来回跳跃，并产生电流。对于这些新电池，其表面由陶瓷制成。据悉，这种陶瓷材料可以吸收和释放双重带负电荷的氧离子。当施加电压时，氧离子迁移到氧气吸收电极，储存能量。当氧离子回流时，该装置会产生电流。

对氧离子电池的全电池进行的测试显示，体积能量密度高达每立方厘米140毫瓦时，相当于当今锂离子电池体积能量密度的30%左右。

然而，依靠氧离子储存能量使这种新化学物质比锂具有独特的优势。“大气中氧气含量丰富，”Schmid说，“锂离子电池通常会失去容量，因为副反应和寄生电流会导致离子损失。氧离子电池也会发生这种情况，但我们可以简单地从大气中再生那些损失的氧气。”

这一方法使得该电池的寿命大幅增加。该团队已经对他们的原型进行了大约1000次充电循环的测试，但他们预计该设备通过再生那些损失的氧气，可以持续数十万次充电循环。

这种长寿命是研究人员最兴奋的事情，因为它给电池在绿色能源领域带来了巨大的影响。其储电能力可维持长时间不衰退，对工业储能有实用价值，例如储存风力发电产生的电能。此外，该电池不需要使用稀少、昂贵的材料。目前研究团队制造的原型电池含有稀土元素镧，将来可望用更廉价的材料取代，相关研究已在进行中。

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