锂离子电池已广泛用于许多电子设备，在我们日常生活中很重要。然而，二十年来，稳步提高10-15%之后，锂离子电池的能量密度目前已接近其理论极限，制约它能量的，就是这些电池使用的阴极和阳极材料。因此，近年来，全球都积极追求下一代能源储存系统。

　　有一种这样的系统就是金属/空气电池，它具有高得多规格能量，胜过现有的大多数原电池和充电电池。

　　(a)功能性石墨烯片结构示意图(上图)，具有理想的双峰多孔结构(较下方的图像)，这非常有利于锂氧电池运行。(b)锂氧电池的放电曲线采用FGS(C / O = 14)作为空气电极(PO2 = 2 ATM)。

　　”金属/空气电池是独特的，因为正极活性材料不是存储在电池中，”张基广(Ji-Guang Zhang)博士说，他是西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)转型材料科学项目的研究员。”相反，环境中的氧气被还原，在空气电极内的催化表面，形成一种氧物化或过氧化氢离子(peroxide ion)，进一步与电解液中的阳离子(cationic)成分反应。Li/O2偶特别有吸引力，因为它可能具有最高的规格能量，在所有已知的电化学偶中都是这样。”

　　在迄今探讨的各种电化学储能系统中，锂空气电池最有前途的一种技术，理论能量密度接近十倍于传统的锂离子电池。这是因为锂金属作为阳极，容量十倍于传统石墨阳极，而氧气作为锂空气电池的正极，可从环境中自由吸收，这就显著减少了电池重量和成本。

　　为了用于实用设备如电动汽车，研究人员期望，锂-空气电池达到约800瓦时/千克的能量密度，这就三倍于最先进的锂离子电池。因此，锂-空气电池有极大潜力，可进行许多应用，这就要求能量储存系统要超越锂离子电池，如远程电动汽车，每次充电可以行驶500多公里。

　　报道他们的成果，是在2011年10月10日《纳米快报》(Nano Letters)在线版，题目是《分层多孔石墨烯用作锂空气电池电极》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode)，张基广和他在西北太平洋国家实验室的小组证明，一种新的空气电极，包含不寻常的分层排列功能化石墨烯薄片(无催化剂)，可带来极高的锂氧电池容量，就是15000毫安时/克，这是这一领域有史以来报道的最高值。

　　这种锂-空气电池的性能受许多因素影响，如电解质成分，宏观结构的空气电极，微观直到纳米结构的含碳材料。反应产物(如Li2O2)沉淀在含碳电极上，最终会阻塞氧气通道，限制锂-空气电池的容量。

　　太平洋西北国家实验室小组最近的工作，最大限度地减轻了空气电极阻塞问题，显著提高了的容量。

　　”以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或浇铸成一种堆叠式二维结构，这就限制了它的可用容量，”张基广说。”我们的工作首次展示了一种自我组装的、双峰石墨烯结构，既有微米大小的开放孔隙，可加快氧气扩散，也有大量纳米孔隙(2-50纳米)，可催化Li-O2反应，同时防止过快增长的放电产物阻塞化学通道。”

　　此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能组，有利于形成孤立的纳米尺寸的Li2O2颗粒，有助于防止空气电极中的空气阻塞。成片石墨烯的分层有序多孔结构，可进行实际应用，促进使用这种结构的大多数石墨薄片。

　　制备空气电极采用功能化石墨烯薄片时，这种功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，这种溶液也包含电极粘结剂材料。经浇铸并干燥后，非常不寻常的形态就会制成。

　　”令人惊讶的是，这种功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆积的”破蛋”结构，留下很大的相互连接的隧道，一直穿进整个电极深处，”张基广说。”这些隧道作用就像众多的动脉，不断供应氧气进入电极内部，在放电过程中就是这样。更重要的是，这种复杂的孔隙结构在电解液渗透后仍然保留下来，不像测试过的其他多孔碳材料。”

　　他们用扫描电子显微镜(SEM)观察”碎蛋”的”壳”，研究人员发现，这些”壳”包含许多较小的连续纳米孔，连通大隧道。张基广指出，这种独特的形态是一种理想的设计，可用于空气电极。”在放电过程中，强大的大型隧道可以作为”高速公路”，供应氧气进入空气电极内部，同时，壁上的小孔都是出口，提供三相(固态-液态-气态)区域，进行氧气还原。”

　　一些障碍仍然需要克服，之后这种电池系统才可以大规模应用。主要障碍包括：放电速度低;电解质稳定性和锂-空气电池的可逆性;需要氧气选择性膜，以减轻容量退化，这种退化源自水分渗透;需要防止锂枝晶(dendrite)生长，以延长循环寿命。

　　( 编辑/李艳娇 )

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