我与科学基金(320)
(本栏目由浙江省自然科学基金委员会合办)
电动汽车这些年得到国家政策支持发展迅速，各个城市大街上跑的电动公交车和私家车越来越多，但是很多人还是觉得充电麻烦，三四百千米的行驶里程数不够理想，有人幻想，如果能在行驶里程数后面加一个零的话就好了。
在浙江省自然科学基金的资助下，浙江大学副教授谢健承担的自然科学基金项目“贵金属晶面取向对过氧化锂的引导生长机理及在锂氧电池中的应用”，不久前通过了结题验收，有望将电动汽车续航里程提高一个数量级。
据了解，近年来随着新能源汽车的快速发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，如《中国制造2025》所述，到2030年，锂离子电池的能量密度要达到500 Wh/ kg，远超当前所能达到的水平，这对锂离子的发展提出了巨大的挑战。与锂离子电池相比，锂空电池(或锂氧电池)理论能量密度高达11431 Wh /kg，可以和汽油相媲美。考虑到催化剂、电解质、电池封装等的重量，锂空电池的实际可得能量密度约为1000 Wh /kg。浙江省是电动汽车产业大省，政府向来重视电动汽车产业的发展，启动了《节能与新能源汽车产业发展规划》。
谢健认为，随着电动汽车使用的规模化和普及化，对车用电池的能量密度提出了更高要求。因此，研究锂空电池具有重要的理论和实际意义。国内外一些著名公司和科研机构近年来启动了锂空电池的研究。美国IBM公司早在2009年就启动了“Battery 500 Project”研究计划，该计划的目标是将锂空电池用于汽车，该研究计划中“500”代表每次充电汽车行驶500英里(800公里)。锂空电池的研究获得了美国能源部的巨额资助(1.2亿美元)。日本政府的NEDO和 Rising项目也包含对锂空电池的研究(300亿日元)。中国科技部973计划也启动了锂空电池的研究(1500万元)。
目前，锂空电池离实用化仍有相当距离，表现在循环稳定性仍不理想、过电位特别是充电过电位较高。谢健和他的研究团队发现贵金属和氧化物或碳材料对Li 2 O 2 的形成/分解具有协同催化作用。为了进一步提高锂氧电池的性能，可以在电解液中加入液相催化剂如LiI，利用液固双催化进一步提高锂氧电池的性能。除了贵金属，某些具有氧缓冲能力的材料如CeO 2 ，也是一种良好的催化剂，值得进一步深入研究及优化，以替代贵金属。在电池实际操作中，可利用疏水保护膜，改善锂氧电池在实际空气中的运行。
该项目通过将贵金属与氧化物或碳材料复合，利用两者的协同催化效应，实现了Li2O2在氧化物或碳材料上的可控生长和有效催化分解，及锂氧电池电化学性能的显著提高。在项目实施过程中，研究人员系统研究了不同的贵金属，不同的贵金属形状和取向，不同的复合体对Li2O2生长和分解的催化机制和催化性能，及该机制与锂-氧电池电化学性能的内在关系，并结合第一性原理计算和原位电镜分析，进一步解明了该机制。这将为锂氧电池催化电极的设计及开发高性能的锂氧电池提供指导意义。谢健在高水平期刊上发表了多篇论文，获得了3 项授权中国发明专利，培养了3 名博士研究生和2 名硕士研究生。项目实施期间，获得了国家自然科学基金的资助，为后续的相关研究奠定了基础。
记者 金乐平 通讯员 周丽敏 谢崇波