近日，來自美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室和加州州立大學(xué)北嶺分校的研究人員在《Nature》上發(fā)表了一篇研究成果，稱已經(jīng)成功研發(fā)出“鋰空氣”電池，該技術(shù)產(chǎn)品最終可能成為鋰離子電池的最佳替代者，有可能幫助突破電動汽車里程瓶頸。

過去的鋰空氣電池工作受到生命周期短和需要使用純氧(因此稱為鋰-氧電池)的阻礙;因此氧氣罐必須是電池系統(tǒng)的一部分，由于但由于所占空間大，使其一般不能用于電動車輛。而最新研發(fā)的使用外部空氣的鋰空氣電池消除了這個問題。

這項工作的主要特點包括鋰金屬陽極的新保護(hù)涂層，該保護(hù)涂層可防止陽極與氧發(fā)生反應(yīng)從而惡化，以及允許電池在空氣中運行的新型電解質(zhì)混合物。在空氣環(huán)境下的測試中，該電池在700次循環(huán)中保持了高性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以前的技術(shù)。

“能量儲存容量約為鋰離子電池的3倍，而在進(jìn)一步研究的情況下，可以實現(xiàn)5倍儲能。”“這將是超越鋰離子電池的重要一步。”芝加哥伊利諾伊大學(xué)首席研究員Amin Salehi-Khojin表示。如果鋰空氣電池可以最終走向市場，電動汽車也將擁有和汽油車同樣級別的續(xù)航里程!這對清潔能源未來的發(fā)展也將有著重要意義。

芝加哥伊利諾伊大學(xué)的研究人員對電池進(jìn)行了測試、分析和表征，而阿貢的研究人員主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)科學(xué)計算研究，以確定該系統(tǒng)在空氣中的工作方式，以及哪些因素有助于提高循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作由約500個原子大小的系統(tǒng)上的數(shù)十個從頭開始的分子動力學(xué)模擬組成——這樣的計算很密集且需要使用領(lǐng)導(dǎo)級計算設(shè)施。

他們使用納米材料中心(CNM)高性能計算集群在較小尺寸(約200個原子)上進(jìn)行初始運行;根據(jù)Argonne材料科學(xué)部的助理材料科學(xué)家Badri Narayanan和論文作者的說法，他們每周要用上約128個核心。

在Argonne Leadership Computing Facility的Vesta系統(tǒng)上進(jìn)行了大型系統(tǒng)(500個原子)的更長生產(chǎn)運行。在ALCF上，他們使用了512個計算內(nèi)核，每個運行周期為3周。所有計算均使用高度平行密度泛函理論代碼(VASP)進(jìn)行。這些新知識對于科學(xué)家繼續(xù)努力開發(fā)全尺寸鋰空氣電池應(yīng)該是至關(guān)重要的。

以下是論文摘要的精華部分：

“然而，迄今為止，由于涉及陰極、陽極和電解質(zhì)的副反應(yīng)，這樣的系統(tǒng)基本上局限于純氧環(huán)境(鋰-氧電池)并且循環(huán)壽命有限。在存在氮氣、二氧化碳和水蒸氣的情況下，這些副反應(yīng)可能變得更加復(fù)雜。此外，由于需要儲存氧氣、鋰-氧體系的體積能量密度對于實際應(yīng)用而言可能太小。在這里，我們看到了一個包含碳酸鋰基保護(hù)陽極，二硫化鉬陰極和離子液體/二甲基亞砜電解質(zhì)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作，循環(huán)壽命長達(dá)700次。

“我們進(jìn)行計算研究，以深入了解該環(huán)境中系統(tǒng)的運行情況。這種在類似空氣的氣氛中循環(huán)壽命長的鋰-氧電池的展示是超越鋰離子技術(shù)向該領(lǐng)域發(fā)展的重要步驟，可能獲得比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度離子電池。”