日本開發無能量損失的大容量蓄電池
時間:2021-03-06 13:55來源:日經中文網 作者:綜合報道
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蓄電池（資料）
克服蓄電池的缺點，減少能量損失——日本東京大學的山田淳夫教授等人的研發團隊正在開發能防止蓄電池以熱能形式損失能量的電極材料。關鍵在于氧原子的作用。如能通過控制氧原子的作用來抑制發熱，則將減少能量損失。要是能推向實用化，到2030年前后，能量損失少的大容量蓄電池或將變得理所當然。
要實現日本政府倡導的2050年二氧化碳凈零排放，需要開發出高性能的蓄電池。原因是有必要儲存以風力和光伏等產生的可再生能源。無論是日本國內還是國外，大學、大企業和初創企業均在提高性能的蓄電池開發領域展開激烈競爭。
要增加蓄電池能夠儲存的能量，需要增加電池中在正極和負極之間移動的金屬離子的數量。蓄電池也是通過離子從正極向負極移動來儲存電能。如果增加金屬離子的數量，即可使蓄電池獲得高容量，但正極能保持的離子的數量存在極限，這成為蓄電池開發的障礙。
山田教授等人將關注點投向了正極材料中的氧原子。他們認為如果讓氧原子擁有的電子也成為能量的搬運工，即可飛躍式增加能儲存的能量。
這一思路以往就有，但存在利用氧原子的電子的材料容易發熱這一缺點。失去電子的氧原子由于結構變得不穩定，將與附近的氧原子結合。這時就會產生熱量并失去儲存的能量。這一點成為實用化的障礙。
山田教授等人注意到了由鈉、錳和氧混合而成的名為“Na2Mn3O7”的材料。他們發現如果將這種材料用于蓄電池的正極材料，即使讓氧原子的電子成為能量的搬運工，氧原子之間也不會在正極電極相互結合。
具體來說，在充電后，鈉和氧移動到負極一側，在放電之后，兩者回到正極一側。在實驗中，在以4.23伏特充電后，可以4.19伏特放電。而在4.55伏特充電后，以4.52伏特放電。充電和放電的電壓差分別僅為0.04伏特和0.03伏特，表明幾乎沒有電力的損耗。
詳細研究新材料的電子的狀態發現，氧原子在釋放電子后，成為一種被稱為“Ligand-hole”的狀態并穩定存在。山田教授等認為，釋放電子后的氧原子和錳原子強烈相互吸引，因此即使釋放電子，氧原子仍能保持穩定。
因為不發生氧原子的結合，所以也不會以熱能形式丟失能量。同時，由于輸出的能量增加，因而成為高效率的電極材料。山田教授等人力爭開發更效率地防止氧原子之間結合的電極材料。到2030年前后，能量損失幾乎為零的蓄電池有可能實現。
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