日本开发无能量损失的大容量蓄电池
时间:2021-03-06 13:55来源:日经中文网 作者:综合报道
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蓄电池（资料）
克服蓄电池的缺点，减少能量损失——日本东京大学的山田淳夫教授等人的研发团队正在开发能防止蓄电池以热能形式损失能量的电极材料。关键在于氧原子的作用。如能通过控制氧原子的作用来抑制发热，则将减少能量损失。要是能推向实用化，到2030年前后，能量损失少的大容量蓄电池或将变得理所当然。
要实现日本政府倡导的2050年二氧化碳净零排放，需要开发出高性能的蓄电池。原因是有必要储存以风力和光伏等产生的可再生能源。无论是日本国内还是国外，大学、大企业和初创企业均在提高性能的蓄电池开发领域展开激烈竞争。
要增加蓄电池能够储存的能量，需要增加电池中在正极和负极之间移动的金属离子的数量。蓄电池也是通过离子从正极向负极移动来储存电能。如果增加金属离子的数量，即可使蓄电池获得高容量，但正极能保持的离子的数量存在极限，这成为蓄电池开发的障碍。
山田教授等人将关注点投向了正极材料中的氧原子。他们认为如果让氧原子拥有的电子也成为能量的搬运工，即可飞跃式增加能储存的能量。
这一思路以往就有，但存在利用氧原子的电子的材料容易发热这一缺点。失去电子的氧原子由于结构变得不稳定，将与附近的氧原子结合。这时就会产生热量并失去储存的能量。这一点成为实用化的障碍。
山田教授等人注意到了由钠、锰和氧混合而成的名为“Na2Mn3O7”的材料。他们发现如果将这种材料用于蓄电池的正极材料，即使让氧原子的电子成为能量的搬运工，氧原子之间也不会在正极电极相互结合。
具体来说，在充电后，钠和氧移动到负极一侧，在放电之后，两者回到正极一侧。在实验中，在以4.23伏特充电后，可以4.19伏特放电。而在4.55伏特充电后，以4.52伏特放电。充电和放电的电压差分别仅为0.04伏特和0.03伏特，表明几乎没有电力的损耗。
详细研究新材料的电子的状态发现，氧原子在释放电子后，成为一种被称为“Ligand-hole”的状态并稳定存在。山田教授等认为，释放电子后的氧原子和锰原子强烈相互吸引，因此即使释放电子，氧原子仍能保持稳定。
因为不发生氧原子的结合，所以也不会以热能形式丢失能量。同时，由于输出的能量增加，因而成为高效率的电极材料。山田教授等人力争开发更效率地防止氧原子之间结合的电极材料。到2030年前后，能量损失几乎为零的蓄电池有可能实现。
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