美國和德國聯合研究證明優化電解液可增加鋰空氣電池容量

來自美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室、卡內基·梅隆大學以及德國燃燒技術研究所的研究人員通過聯合研究證明，一種經過優化的電解液可有效增加鋰空氣電池的容量。這種電解液由能釋放較多電子的陰離子和釋放電子較少的非水溶劑組成。該研究發表在美國《國家科學院院刊》上。

對于電動車而言，金屬空氣電池無疑是最具吸引力的潛在之星，它質量輕、能量密度高、續航時間長，將電動車所需要的特性集于一身。然而鋰空氣電池至今未能一顯身手，原因在于它存在致命缺陷，即固體反應生成物會在正極堆積，導致放電停止。非水溶性鋰空氣電池，其電化學反應的產物為過氧化鋰。過氧化鋰不溶解于質子惰性有機溶劑，會在正極表面形成沉積物，最終使正極無法發生反應，從而降低電池的容量。

許多研究機構一直在試圖解決這個問題，其中的一個方法是，調整電解液來增強中間產品的溶解度。研究人員對電解液進行了定性和定量研究，測量如何通過溶解氧化鋰來提高電池容量。在他們設計的電解液中，電池容量可增加4倍，并證明了陰離子在電池循環周期中發揮著非常重要的作用。

隨后，研究人員利用掃描電子顯微鏡來檢查過氧化鋰在正極表面上的沉積形態。結果表明，電池容量的增加可能是由于NO3-(硝酸根離子團帶一個單位負電荷)誘導可溶性氧離子出現。核磁共振進一步證實，NO3-離子對電解液釋放電子發揮著重要作用。

研究人員還研究了溶劑的熱力學性質，來獲得陰離子釋放電子數量如何影響電池容量的定量模型。他們利用簡化的伊辛模型來描述鋰離子溶劑化層，該模型主要用于研究相鄰粒子之間的相互作用。研究人員給出了溶劑電子釋放的函數，在假定電解液在鋰離子溶劑化層中的位置為常數的條件下，證明隨著NO3-離子濃度的增加，其在溶劑化層中能占據更多位置。

利用該模型，研究人員創建了等高線圖，為研究金屬空氣電池提供了廣義的工具。其結論是，能釋放較多電子數量的陰離子，可使氧化鋰無法形成，進而可提高電池容量。

該研究表明，電解液靶向中間產物，是一種克服鋰空氣電池缺陷、提高電池容量的方法。此外，該模型還可以廣泛地適用于其他金屬空氣電池。