http://phys.org/news/2012-08-explore-li-air-battery-reversibility-nanoscale.html
By Lisa Zyga, August 8, 2012
(Phys.org) -- 一如其名所暗示的，鋰空氣電池（Li-air batteries）利用空氣來運作，拉出氧分子以用於多孔、碳基的陰極，而陽極則用鋰。因為用的是空氣，意味這種電池不需要在陰極存放沈重的電荷源，所以該電池能提供極高的能量密度，幾乎與相同體積汽油所能提供的能量相當，是鋰離子電池的 5-10 倍以上。儘管有這些誘人之處，鋰空氣電池仍面臨諸多限制，有個研究團隊已著手對付其中一向挑戰：可逆性（reversibility），這對可重複充電多次的電池來說是必要的。
研究者，田納西州 ORNL 的 Thomas Arruda、Amit Kumar、Sergei Kalinin，以及 Stephen Jesse，已在最近一期的 Nanotechnology 上發表一篇論文，在其中，他們探索控制粒子之可逆性的因素。這些粒子生長在電解質上，那構成鋰空氣電池與奈米電池的基礎。
"我們認為這項研究替不可逆或準可逆（quasi-reversible）奈米級電化學 -- 在材料系統中，範圍從鋰空氣電池到更加確立的領域，例如（電化學）腐蝕、電鍍及其他眾多領域 -- 的研究鋪路，" Kalinin 表示。
"最初的鋰電池（無法充電且用完即丟）具高能量密度，且從 1960 年代以來都能在市面上購得；然而，它們只能用一次，" Arruda 說。"為了要使這些電池能與，例如石化燃料（即汽車應用）競爭，它們需要被重複充電數百次，不然也要有數千次。考慮到通勤者平均每週加油一次。這等於十年間要裝 500 次以上。對一個汽車鋰空氣電池而言，將需要符合這項標準，即便不考慮成本或其他重要指標（metrics）。事實上，一如領導性電池專家在密集審查後所提出的證據，可逆性對鋰空氣電池來說，仍是一個最重要且最難達成的任務。"
使用一個充飽電的鋰空氣電池時，陽極中的鋰離子會移動到陰極，在此它們經由氧化還原反應與氧產生反應。來自反應的電子接著被收穫並用來供電給電子裝置。將電池重新充電後，鋰離子必從陰極移回陽極。如研究者的解釋，鋰空氣電池之所以如此難以充電的原因是，因為這種電池結合了電池與燃料電池中，最困難的過程。
"構成這些過程的基礎是大量不受歡迎的化學物質，諸如難溶解的反應產物（LiOx，鋰氧化物）、緩慢的反應動力學以及金屬鋰不受歡迎的、幾乎與每樣東西起反應的傾向，" Jesse 說。"以陽極為例，鋰離子電沈積（electrodeposition）到金屬鋰，常伴隨著針狀鋰粒子的形成，那稱為樹枝狀結晶（dendrites，譯註：生物學中稱樹突）。這些粒子對電池產生的負面影響是 (1) 導致與陽極失連，因而無法參與反應，以及 (2) 增加內部短路的風險，那會導致熱耗散與火災。在陰極，氧化還原反應對鋰空氣電池來說，與燃料電池一樣，都是一大挑戰。當這二種反應結合起來，它們形成一種難溶產物的混合物，那難以逆向反應且最終會使陰極毒化（choke）。"
在他們的研究中，研究者使用原子力顯微鏡（AFM），透過分析鋰粒子的生長，來研究電池可逆性。當掃描 20-nm AFM 探針在鋰離子導電玻璃陶瓷電解質（conductive glass ceramic electrolyte）表面上的偏移時，他們在此一週而復始的過程中量測到探針高度的變化。他們發現，探針高度的增減與電流變化相關，讓他們能證明「可逆性的存在」以及測繪不同位置上的「可逆性程度」。
在未來，研究者希望更進一步改善可逆性，並提到，當鋰空氣電池商業化前，它們仍會面臨許多其他的挑戰。
"鋰空氣電池所有主要元件的技術發展與系統工程，都是讓這項科技上市所需要的東西，" Kalinin 說。"陰極需要更好的催化劑，鋰陽極在不損及功能的情況下獲得保護，仍最重要，另外優異的多功能電解質也需要開發。在最基礎的層次上理解關鍵電池元件的基礎過程的必要性，仍屬最優先考慮的事。只有在達到基礎過程的綜合理解後，化學家才能夠微調、系統才能夠經過適當的改造以符合應用所需的衡量標準。"
如果研究者能克服這些挑戰，鋰空氣電池有潛力為各類廣泛的應用儲存能量。
"若鋰空氣電池能被實現，首要應用將會是運輸與其它需要行動力的情況（例如：膝上型電腦等），因為那對於它們所儲存的能量數量而言，可說是非常輕量，" Arruda 表示。"最佳化鋰空氣電池，以包含大量充放電循環，將削減成本，並使不需要像目前那樣使用一堆沈重電池的全電動車成真。在這之後，可以很容易展望這項技術（鋰空氣奈米電池）被應用在 MEMS 與 NEMS。這些系統也許是使用這種能源的理想系統，因其能量需求十分低，所能運作的時間更久。"
※ 相關報導：
＊ The partially reversible formation of Li-metal particles on a solid Li electrolyte: applications toward nanobatteries
http://iopscience.iop.org/0957-4484/23/32/325402/
Thomas M Arruda, Amit Kumar, Sergei V Kalinin and Stephen Jesse＊ 電池輕量化：金屬結晶扮演效率改善的關鍵角色
Nanotechnology 23 325402 (2012)
doi: 10.1088/0957-4484/23/32/325402
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