Jülich與ORNL合作研發(fā)鐵-空氣電池 電極積聚物可提升電池容量

時間:2017-11-20 16:38來源:蓋世汽車 作者:李文龍
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　　據(jù)外媒報道，鐵-空氣電池（Iron–air batteries）的能量密度要遠(yuǎn)高于當(dāng)前的鋰離子電池。此外，其主要構(gòu)成物“鐵”的儲量十分富足，該材料的價格也很便宜。為此，于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）也致力于重新研究該鐵-空氣電池這一理念（上世紀(jì)70年代就已提出）。
 
　　由于技術(shù)難題難以攻克，自上世紀(jì)80年代起，金屬-空氣電池的研究被棄置了很長一段時間。然而，最近數(shù)年來，該領(lǐng)域的研發(fā)興趣越來越大。鐵-空氣電池的通過鐵與氧的反應(yīng)來獲得能量。在反應(yīng)過程中，鐵氧化過程與生銹過程幾乎一樣。該反應(yīng)需要周邊空氣內(nèi)的氧氣參與反應(yīng)，這樣就無需考慮電池的氧氣存儲問題。由于可節(jié)省材料成本，使得研究機(jī)構(gòu)紛紛開始研發(fā)鐵-空氣電池。
 
　　于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）已成功觀測到電池運(yùn)行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的，其觀測精度可達(dá)納米級。若欲進(jìn)一步研發(fā)鐵-空氣電池并達(dá)到市場成熟水平，對其充放電反應(yīng)的深入了解就顯得至關(guān)重要了，該研究成果已發(fā)表在期刊《納米能源（Nano）》中。
 
　　據(jù)估計，鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg，相較之下，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度約為600 Wh/kg，若將電芯外殼的重量納入考慮，其能量密度將低于350 Wh/kg。
 

 
　　鋰-空氣電池的最大能量密度將達(dá)到11400 Wh/kg，但其技術(shù)難度極大、復(fù)雜性較高。然而，如果按體積能量密度來比對，鐵-空氣電池的表現(xiàn)則更好：9700 Wh/l，幾乎是當(dāng)前鋰離子電池（2000 Wh/l）體積能量密度的5倍，鋰-空氣電池的體積能量密度“僅為”6000 Wh/l。對于眾多移動設(shè)備而言，鐵-空氣電池的吸引力依然很大，因?yàn)轶w積（空間）要求也成為了移動應(yīng)用的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)。
 
　　于利希研究中心采用了美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室納米材料科學(xué)中心（Center for Nanophase Materials Sciences）的原位電化學(xué)原子力顯微鏡（in situ electrochemical atomic force microscopes）對鐵-空氣電池的充放電情況進(jìn)行觀察，并確認(rèn)氧化鐵顆粒（Fe(OH)2）是如何形成于鐵電極之上的。
 
（電極）積聚物提升電池容量
 
　　積聚物并不會降低電池的容量，恰恰相反，納米多孔層（nanoporous layer）會增大電極的活性表面積（active surface area），在充放電周期后，其電池容量會小幅提升。得益于該研究調(diào)查，研究人員首次獲得了納米多孔層增生的清晰脈絡(luò)圖。
 
　　然而，距該產(chǎn)品的市場成熟尚有一段時間。研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)千次的充放電試驗(yàn)，盡管鐵質(zhì)孤島電極（isolated electrodes）在運(yùn)行時并未出現(xiàn)較大的能量損失，但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后，充放電次數(shù)卻只維持在20-30次。
 
　　該實(shí)驗(yàn)結(jié)果被劃歸到高溫及高能量密度材料的研究項(xiàng)目范疇內(nèi)，該項(xiàng)目獲得了德國聯(lián)邦研究教育部（German Federal Ministry of Education and Research）的資金支持。
　　未來，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與于利希研究中心或?qū)⒑炗喓献鲄f(xié)議，因?yàn)殡p方自2008年后就加強(qiáng)了在各個科研領(lǐng)域內(nèi)的研究。（本文圖片選自于利希研究中心官網(wǎng)）
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