近日，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型催化劑，可使鋰空氣電池的充放電效率得到顯著提高，從而使這種高能量密度電池在電動汽車和其他領(lǐng)域應(yīng)用邁出了重要一步。
該催化劑由Au-Pt合金納米粒子組成。測試發(fā)現(xiàn)，電池的放電效率達到了77%，高出之前70%的記錄。這項成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》雜志上[1]，這種新型催化劑有可能實現(xiàn)商用鋰空氣電池要求的85%-90%的放電效率。
鋰空氣電池，是通過金屬鋰與空氣中的氧氣反應(yīng)來產(chǎn)生電能。其最引人注目的特點是具有很高的能量密度，是傳統(tǒng)鋰離子電池的3-4倍，這有助于提高電動汽車的續(xù)航里程。但鋰空氣電池受到諸多問題的困擾。如充放電效率低，循環(huán)壽命短，反應(yīng)速度慢，且金屬鋰電極在使用過程中容易產(chǎn)生枝晶，導(dǎo)致短路。通過對新催化劑的研究，在改善電池效率的同時，還有助于延長電池的壽命。
當放電時，金屬鋰與氧氣反應(yīng)生成氧化鋰和并且釋放電子。充電時，釋放出氧氣，且氧化鋰重新被還原成金屬鋰。新催化劑加快了反應(yīng)速度，從而減少了電池在充放電過程中的能量損失。催化劑中的Au原子促進鋰和氧的結(jié)合，而Pt原子則加快了充電反應(yīng)的進行。
在某些方面，這個發(fā)現(xiàn)與之前的假設(shè)背道而馳。Pt是已知的促進燃料電池中氫氣和氧氣反應(yīng)的最好的催化劑，且是第一個被用于促進鋰空氣電池中金屬鋰和氧氣反應(yīng)的催化劑。但實驗表明，催化效果很不理想，于是科學(xué)家放棄了使用Pt作為鋰空氣電池的催化劑。但是MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)，Pt在鋰空氣電池中可用于催化充電過程中氧化鋰釋放出氧氣的反應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)Pt是充電過程中最好的催化劑。
另一方面，由于Au的不活潑性，通常不會被作為催化劑使用。事實上MIT的研究人員原本是想用Au作為控制反應(yīng)的手段來測試反應(yīng)速度。但是令他們吃驚的是，Au在催化鋰和氧的反應(yīng)中表現(xiàn)的比Pt更加出色。此外，他們發(fā)現(xiàn)，當這兩種催化劑結(jié)合成納米顆粒一起使用時，催化效果更好。
除了提高效率，加快反應(yīng)速度，該催化劑還能最大限度地減少氧化鋰的堆積，提高鋰空氣電池的壽命。MIT的研究人員將繼續(xù)深入研究Au-Pt催化劑，了解它們是如何工作的，并研究其他材料的組合，以找出新的催化劑。
MIT的研究人員正在努力減少Au和Pt的使用量，以降低催化劑的成本。其中一種方法是選擇價格便宜的納米材料（如錳氧類催化劑），使用這些貴金屬在其表面包裹一層薄膜，達到良好的催化效果。
