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化學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化鈉電池的關(guān)鍵反應(yīng)機(jī)制

時(shí)間:2015-06-08 09:21來源:搜狐 作者:火凡
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  滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)的化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了鈉空氣電池中的關(guān)鍵反應(yīng),這個(gè)發(fā)現(xiàn)為電化學(xué)能量存儲(chǔ)的發(fā)展鋪平了道路。

  加拿大固態(tài)能源材料研究會(huì)主席(Canada Research Chair in Solid State Energy Materials)Linda Nazar博士領(lǐng)導(dǎo)滑鐵盧納米科技研究所(Waterloo Institute for Nanotechnology)的研究人員發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的中介途徑,這個(gè)發(fā)現(xiàn)解釋了氧化鈉電池比氧化鋰電池更節(jié)能的原因。

  掌握氧化鈉電池的工作原理能更好地開發(fā)氧化鋰電池,氧化鋰電池一直被看成電化學(xué)能量存儲(chǔ)的關(guān)鍵。

  我們的新發(fā)現(xiàn)把謎題的許多不同斷開部分聯(lián)系起來,讓我們得以看到問題的全貌,理學(xué)院(Faculty of Science)的化學(xué)教授Nazar說道。這些發(fā)現(xiàn)將改變我們對(duì)無水金屬氧化物電池的看法。

  很多人認(rèn)為氧化鈉電池是很有前景的金屬氧化物電池,雖然它的能量密集程度低于氧化鋰電池,其充電效率卻要高93%以上,而且造價(jià)低廉,適合大規(guī)模電網(wǎng)存儲(chǔ)。

  關(guān)鍵在于Nazar團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)子相轉(zhuǎn)移催化劑。Nazar和同事們把質(zhì)子相轉(zhuǎn)移催化劑從電池的放電和充電反應(yīng)中分離出來,這樣不僅提高了電池的容量,還使電池的充電幾乎完美。研究人員還發(fā)現(xiàn)把催化劑從系統(tǒng)中移除后,電池停止了工作。

  不同于傳統(tǒng)的固體電池設(shè)計(jì),氧化金屬電池使用氣體陰極,它獲取氧氣,然后將氧氣與鈉或鋰這樣的金屬結(jié)合形成金屬氧化物,同時(shí)在此過程中存儲(chǔ)電子。而給系統(tǒng)通電又會(huì)引起相反的反應(yīng),使金屬變回原始狀態(tài)。

  在氧化鈉電池中,質(zhì)子相轉(zhuǎn)移催化劑使剛形成的超氧化鈉(NaO2)成核并成為良好的納米晶體,這些納米晶體會(huì)進(jìn)一步成長(zhǎng)為微米大小的放電立方體。第一步所形成的超氧化鈉尺寸非常重要,麻省理工大學(xué)(MIT)的理論演算顯示,在納米等級(jí)上超氧化鈉比過氧化鈉的能量性能更好。電池充電時(shí),質(zhì)子相轉(zhuǎn)移催化劑產(chǎn)生的逆反應(yīng)又會(huì)使超氧化鈉立方體輕松解離。

  化學(xué)家說質(zhì)子相轉(zhuǎn)移催化劑能在氧化鋰中起到相似的作用。但是,超氧化鋰極不穩(wěn)定,而且會(huì)立即變成過氧化鋰。一旦過氧化鋰形成,催化劑就不能再引發(fā)逆反應(yīng),因?yàn)檎蚍磻?yīng)和逆向反應(yīng)不再相同。因此,為了在氧化鋰系統(tǒng)上取得進(jìn)步,研究人員必須找出其他氧化還原介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)高效充電。

  我們正在探索氧化還原介質(zhì),探索本研究中的氧化鈉電池方面的新思路,Nazar說道。氧化鋰電池和氧化鈉電池的前景都很不錯(cuò),但它們的發(fā)展都需要思考如何在科學(xué)上實(shí)現(xiàn)高容量和可逆性。

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