使锂空气电池储能性提升10倍的合成二维材料

锂空气电池有望成为目前用于电动汽车，手机和电脑的锂离子电池的下一代革命性替代品。

锂空气电池（Lithium-airbatteries）是一种用锂作负极，以空气中的氧气作正极的电池。虽然锂空气电池目前仍处于实验开发阶段，但其在能量密度方面表现出来的优势已经得到了认可，有望成为普通锂离子电池的革命性替代品。催化剂有助于提高电池内部的化学反应速率、提升电池储能和供能性能。因此将锂空气电池与用二维材料制成的先进催化剂配合使用，有望进一步提升锂空气电池的性能。

phys.org网站1月10日报道，美国伊利诺伊大学芝加哥分校副教授AminSalehi-Khojin的团队在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志撰文称，他们合成了多种二维材料，部分材料作为催化剂使用，可使锂空气电池的储能性提升10倍。论文通讯作者AminSalehi-Khojin说。“现在，电动汽车每次充电后大约可以行驶100英里，将二维催化剂加入锂空气电池中，可使其单次充电后的行驶里程增加到400~500英里。这将是储能领域的一个重大突破。”

AminSalehi-Khojin团队共合成了15种不同类型的二维过渡金属二硫化合物（TMDCs）。TMDCs是一种性质独特的化合物，它具有良好的导电性和电子快速转移能力，可以用于促进电池充、放电过程中的化学反应。研究人员对15种TMDCs在锂空气电池模拟系统中的催化性能进行了研究。论文第一作者、伊利诺伊大学芝加哥分校研究生LeilyMajidi解释说：“将TMDCs设计成二维结构，可获得更好的更好的电子性能和更大的反应表面积，从而使其以更稳定的结构参与电池内的电化学反应。与铂、金等传统催化剂相比，二维TMDCs的催化性能要强得多。”

此外，这种二维材料还能与电解质产生协同作用。AminSalehi-Khojin说：“我们开发的二维TMDCs材料可与离子液体电解质产生协同效应，帮助电子更快地转移，从而更有效地存储和释放能量。这类新材料代表了一种提升电池性能的新途径。现在我们需要做的，就是找到优化材料性能和大规模生产这种材料的方法。”

研究人员在模拟锂-空气电池的电化学系统中实验研究了15种TMDC作为催化剂的性能。

“在它们的二维形式中，这些TMDC具有更好的电子特性和更大的反应表面积，可以参与电池内的电化学反应，同时它们的结构保持稳定，”UIC工程学院的研究生LeilyMajidi解释说，该论文的作者。

“与使用金或铂等传统催化剂相比，这些材料的反应速率要高得多，”Majidi说。

2-DTDMC表现如此之好的原因之一是因为它们有助于加速锂-空气电池中发生的充电和放电反应。

“这将是所谓的催化剂的双功能，”Salehi-Khojin说。

2-D材料还与电解质协同作用-电解质是离子在充电和放电期间移动的材料。

“我们使用的2-DTDMC和离子液体电解质充当助催化剂系统，有助于电子更快地转移，从而实现更快的电荷和更高效的储存和放电能量。”

“这些新材料代表了一种新的途径，可以将电池提升到一个新的水平，我们只需要开发出更有效和更大规模生产和调整它们的方法，”Salehi-Khojin说。