可以反复使用？科学家发明了一种超长寿命的氧离子电池

发表时间：2023-03-24 10:42作者：科技前线

锂电池如今无处不在，但这并不意味着它们是所有应用领域的最佳解决方案。维也纳技术大学TU Wien现在已经成功开发出一种具有一些重要优势的氧离子电池，氧电池。尽管它不能像锂离子电池那样高的能量密度，但它的存储容量不会随着时间的推移而不可逆转地减少：它可以再生，因此可以实现超长的使用寿命。

这种氧离子电池可以在不含稀有元素的情况下生产，并且由不燃材料制成。这种新理念的氧电池专利申请已经与西班牙的合作伙伴一起提交。氧离子电池可能是大型储能系统的绝佳解决方案，例如存储可再生能源的电能。

陶瓷材料作为一种新的电池解决方案

维也纳技术大学化学技术与分析研究所的Alexander Schmid表示：“在相当长的一段时间内，我们在可用于燃料电池的陶瓷材料方面有着丰富的经验。这让我们有了调查这些材料是否也适合制造电池的想法。”

TU Wien团队研究的陶瓷材料可以吸收和释放带双负电荷的氧离子。当施加电压时，氧离子从一种陶瓷材料迁移到另一种，之后可以使它们再次迁移回来，从而产生电流。

氧离子电池结构原理图

图1. 氧离子电池结构原理图

固体氧化物燃料/电解电池SOFC和锂离子电池电极之间的相似性：两个电极都可以储存形式上的中性物质（氧或锂），如图中深蓝色所示。此外，SOFC电极可以与大气交换中性物质，如虚线箭头所示。如果后一条路径被阻断，SOFC电极的行为类似于LIB电极。

这种新氧电池的基本原理实际上与锂离子电池非常相似。但使用的材料有一些重要的优势。陶瓷不易燃，因此像锂离子电池那样容易发生的火灾事故实际上是不可能的。此外，不需要稀有元素，因为稀有元素价格昂贵，只能以对环境有害的方式提取。

在这方面，使用陶瓷材料是一个很大的优势，因为它们可以很好地适应大规模生产。你可以相对容易地用其他元素取代某些难以获得的元素。该新电池的原型仍然使用金属镧，这种元素并不罕见，但也不常见。但即使是镧也将被更便宜的东西取代，对此的研究已经在进行中。钴或镍被用于许多电池，但它们根本没有被使用在这种新电池。

氧离子电池的优点：寿命长

这种新电池技术最重要的优势是其潜在的长寿命：在许多电池中，电荷载流子在某个时候无法再移动。然后它们就不能再用来发电了，电池的容量就会下降。经过多次充电循环，这是现有锂电池的一个严重的问题。

然而，氧离子电池可以毫无问题地再生：如果氧气因副反应而损失，那么这种损失可以简单地通过环境空气中的氧气来补偿。

这种新的氧离子电池不适用于智能手机或电动汽车，因为氧离子电池的能量密度仅为锂离子电池的三分之一左右，并且在200至400°C的温度下运行。然而，这项技术在储存能量方面非常有用。

例如，如果你需要一个大型储能装置来临时储存太阳能或风能，氧离子电池可能是一个很好的解决方案。如果你建造一整栋楼，里面都是储能模块，那么较低的能量密度和较高的工作温度并不是关键因素。氧离子电池的优点在这方面尤为突出：使用寿命长，可以在不含稀有元素的情况下大量生产这些材料，而且这些电池没有火灾危险。

这篇论文发表在《先进能源材料》杂志上。