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A step toward lighter batteries: Metal catalysts play important role in improving efficiency
http://www.physorg.com/news189421942.html
By David L. Chandler, April 2, 2010
一個在 MIT 的研究團隊在某種技術上有了重大進展，那能將任何現存電池的能量密度提升多達三倍。
Yang Shao-Horn，MIT 機械工程暨材料科學與工程副教授，表示：有許多團體都正在進行鋰空氣電池（lithium-air batteries）的研究，那在能量密度上有很大的潛力達到巨大獲益。不過這裡卻缺乏對於「什麼樣電極材料能促進在這些電池中所發生的電化學反應」的理 解。
鋰氧（Lithium-oxygen，也稱為鋰空氣）電池在原理上類似鋰離子電池，那現在主宰可攜式電子器材的領域，同時也是電動車 的領導性競爭者。但因為鋰空氣電池在這樣的電池中，以基於碳之空氣電極還有空氣的流動取代沈重的慣用元件，所以這種電池本身能非常輕巧。這也是為何領導性 公司，包括 IBM 與 GM，堅持進行大規模研究倡議鋰空氣技術。
本週一篇發表在 Electrochemical and Solid-State Letters 期刊上的論文中，Shao-Horn 以及她某些學生以及訪問教授 Hubert Gasteiger，報告了一項研究，證明具有金或鉑作為催化劑的電極，展現出更高程度的活性，也因而比這些電池中簡單的碳電極有更高的效率。
此外，這項新研究替未來的、能導致更好電極材料的研究創造舞台，也許是金與鉑或其他金屬的合金，或是金屬氧化物，或較廉價的替代方案。
博 士生 Yi-Chun Lu，這篇論文的領導作者，解釋：該團隊已開發出一種方法來分析電池中不同催化劑的活性，而他們現在能建立在這項研究上以研究各種可能的材料。"我們將留 意不同的材料，並察看趨勢，" 她表示。"這樣的研究能讓我們確認統御催化劑活性的物理參數。最終，我們將能夠預測催化劑的行為。"
為何那很重要：能傳送許多能量的輕量電池對許多應用而言很重要 -- 例如，改善電動車的里程數。為了這個理由，即使是電池能量密度等級的適度增加 -- 在一定重量下所能傳送能量總數的量測 -- 都是重要進展。
下 一步：在開發一套能廣泛商業化的電池系統上，一項得要應付的問題是安全性。金屬形態的鋰，那在鋰空氣電池中使用，若有一絲一毫水份存在，將會是高度反應 性。那在目前的鋰離子電池中並不是個問題，因為基於碳的材料被用來當作負電極。Shao-Horn 表示，可在不需要使用金屬鋰的情況下應用相同的電池原理；她表示，反而能使用石墨或其他穩定的負電極材料，導致更安全的系統。
在鋰空氣電池能變成實際商業化產品前，有一些問題必定要被處理，她說。最大的問題是，若要開發一套在車輛或電動車上有用的系統，那必在經歷過足夠數量的充、放電循環後仍維持它的電力。
研究者也需要觀察充放電過程的化學細節，看看何種化合物產生以及在何處產生，還有它們如何與系統中其他化合物起反應。"我們在實理解這些反應如何發生上，仍在非常開始的階段，" Shao-Horn 說。
Gholam-Abbas Nazri，GM 研發中心的研究者，稱此研究："有趣且重要，" 並表示，在開發這項技術上，這對付一項重要的瓶頸：要找到有效的催化劑。這項研究 "對於催化劑角色的未來理解上，方向是正確的，" 而且那 "對於鋰空氣系統的未來理解與發展，也許有顯著地貢獻，" 他說。
雖然某些研 究鋰空氣電池的公司已表示他們將它視為一項十年發展計畫，但 Shao-Horn 表示，要預測花多久時間才能商業化仍嫌太早。"那是個非常有前景的領域，不過有許多科學與工程挑戰需要克服，" 她說。"如果那真的證明（有今日鋰離子電池）二到三倍的能量密度，" 她說，第一種應用很可是將會出現在電腦與手機等可攜式電子裝置上，那是高價物品，而且之後只有在成本減少的情況下才會應用在車輛上。
※ 相關報導（論文尚未刊載）：
＊ The Influence of Catalysts on Discharge and Charge Voltages of Rechargeable Li-Oxygen Batteries
Yi-Chun Lu, Hubert A. Gasteiger, Michael C. Parent,＊ 多倫多大學的綠色催化劑可取代鉑族金屬
Vazrik Chiloyan, Yang Shao-Horn. Electrochemical and
Solid-State Letters, 1 April 2010 (Vol.13, No.6).
＊ 合成催化劑模仿自然的「氫經濟」
＊ 日立新鋰離子電池可維持十年
＊ 靈感來自電漿電視的數位量子電池
＊ 新充電方法大幅減少電池再充電時間
＊ 研究發現為何固體中的原子偏好某些結構
