MIT发现可大幅提升锂空气电池充放电效率的新催化剂

近日，麻省理工学院的研究人员开发出一种新型催化剂，可使锂空气电池的充放电效率得到显著提高，从而使这种高能量密度电池在电动汽车和其他领域应用迈出了重要一步。

该催化剂由Au-Pt合金纳米粒子组成。测试发现，电池的放电效率达到了77%，高出之前70%的记录。这项成果发表在《美国化学会志》杂志上[1]，这种新型催化剂有可能实现商用锂空气电池要求的85%-90%的放电效率。

锂空气电池，是通过金属锂与空气中的氧气反应来出现电能。其最引人注目的特点是具有很高的能量密度，是传统锂离子电池的3-4倍，这有助于提高电动汽车的续航里程。但锂空气电池受到诸多问题的困扰。如充放电效率低，循环寿命短，反应速度慢，且金属锂电极在使用过程中容易出现枝晶，导致短路。通过对新催化剂的研究，在改善电池效率的同时，还有助于延长电池的寿命。

当放电时，金属锂与氧气反应生成氧化锂和并且释放电子。充电时，释放出氧气，且氧化锂重新被还原成金属锂。新催化剂加快了反应速度，从而减少了电池在充放电过程中的能量损失。催化剂中的Au原子促进锂和氧的结合，而Pt原子则加快了充电反应的进行。

在某些方面，这个发现与之前的假设背道而驰。Pt是已知的促进燃料动力锂电池中氢气和氧气反应的最好的催化剂，且是第一个被用于促进锂空气电池中金属锂和氧气反应的催化剂。但实验表明，催化效果很不理想，于是科学家放弃了使用Pt作为锂空气电池的催化剂。但是MIT的研究人员发现，Pt在锂空气电池中可用于催化充电过程中氧化锂释放出氧气的反应，并且发现Pt是充电过程中最好的催化剂。

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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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另一方面，由于Au的不活泼性，通常不会被作为催化剂使用。事实上MIT的研究人员原本是想用Au作为控制反应的手段来测试反应速度。但是令他们吃惊的是，Au在催化锂和氧的反应中表现的比Pt更加出色。此外，他们发现，当这两种催化剂结合成纳米颗粒一起使用时，催化效果更好。

除了提高效率，加快反应速度，该催化剂还能最大限度地减少氧化锂的堆积，提高锂空气电池的寿命。MIT的研究人员将继续深入研究Au-Pt催化剂，了解它们是如何工作的，并研究其他材料的组合，以找出新的催化剂。

MIT的研究人员正在努力减少Au和Pt的使用量，以降低催化剂的成本。其中一种方法是选择价格便宜的纳米材料（如锰氧类催化剂），使用这些贵金属在其表面包裹一层薄膜，达到良好的催化效果。