日本东北大学成功让锂空气电池碳正极兼具高容量和长循环寿命

日本东北大学材料科学高等研究所的研究团队近日在锂空气电池领域取得重大突破。他们开发出一种新型碳材料“层次孔石墨烯海绵（GMS）”，成功实现了锂空气电池碳正极的高容量和长循环寿命，为这种高能量密度电池的实用化迈出了重要一步。

锂空气电池是一种极具潜力的储能技术。理论上，它的能量密度可以达到传统锂离子电池的数倍以上，非常适合对重量敏感的应用场景，如无人机、物联网设备和家用储能系统。然而，锂空气电池在实际应用中面临着严重的问题：在反复充放电过程中，电池内部的正极、负极和电解液都会严重劣化，导致只能进行十几次可逆充放电。

东北大学的研究团队将目光投向了构成碳材料的基本结构——石墨烯。他们提出了一种创新的正极材料方案，通过构建丰富的孔结构来增加容量，同时排除石墨烯的堆叠结构以减轻电池重量，并去除会导致电极劣化的边缘官能团。这种设计最终通过新型碳材料GMS得以实现。

GMS是一种具有层次孔结构的自支撑石墨烯海绵。研究人员首先将氧化铝纳米颗粒压制成片，然后在其表面覆盖一层石墨烯。随后，通过化学蚀刻去除氧化铝模板，再将样品加热到1800℃，通过“石墨烯-zipping反应”去除导致电池劣化的石墨烯边缘官能团。这种独特的制备过程使得GMS具有优异的性能。

与传统碳材料相比，GMS不仅具有更高的单位质量容量和单位面积容量，还展现出更长的循环寿命。通过控制GMS的结构，研究团队实现了目前碳正极所能达到的最佳性能。然而，尽管在碳正极方面取得了显著进展，但当以实际应用所需的电流密度和容量使用时，电池仍只能充放电约21次。这很可能是由于负极和电解液的严重劣化所致。

尽管如此，这项研究仍然为锂空气电池的实用化带来了新的希望。未来，随着对负极和电解液的进一步改良，使用GMS正极的锂空气电池有望实现更长的使用寿命。一旦克服了这些挑战，锂空气电池将能够在多个领域发挥重要作用，包括但不限于电动汽车、大规模储能系统和便携式电子设备。

总的来说，日本东北大学的研究为锂空气电池的发展注入了新的活力。虽然距离商业化应用还有一定距离，但这项突破性的成果无疑为高能量密度电池技术的未来指明了方向。随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信，锂空气电池终将成为推动能源革命的关键力量。