解析新型鋰空氣電池技術(shù)

我們有必要先來(lái)了解一下電池技術(shù)的重要性，也許許多讀者會(huì)這樣認(rèn)為，“一顆小小的電池算得了什么，沒(méi)有必要去研究吧?”其實(shí)不然，電力一直都是我們生活中最重要的能源之一，而電池就是產(chǎn)生或存儲(chǔ)它的一個(gè)重要的方式。IBM成立了一個(gè)Almaden實(shí)驗(yàn)室，它與龍頭企業(yè)、研究所等機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展研究鋰和氧元素結(jié)合材料的電池技術(shù)。在此之前，筆記本電腦和手機(jī)電池的技術(shù)突破是在美國(guó)完成的，而現(xiàn)在，日本和韓國(guó)已經(jīng)成為了電池技術(shù)的主導(dǎo)國(guó)家，IBM希望讓電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)由亞洲轉(zhuǎn)向美國(guó)。

就如同美國(guó)依賴(lài)中東的石油一樣，在汽車(chē)行業(yè)從傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)向綠色的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展之后，這個(gè)汽車(chē)大國(guó)并不想依賴(lài)于亞洲的汽車(chē)電池。因此美國(guó)企業(yè)擔(dān)心會(huì)錯(cuò)失這個(gè)歷史上最重要的技術(shù)變革機(jī)會(huì)以及其帶來(lái)的市場(chǎng)。除了IBM，在過(guò)去5年，通用電氣也投入1.5億美元資助了新型電池的開(kāi)發(fā)。就連芯片巨頭Intel也欲投入電池的生產(chǎn)，Intel前CEO Andy Grove說(shuō)道：“我們?cè)谏鲜兰o(jì)70年代失去了電池技術(shù)的控制權(quán)。電池技術(shù)將決定未來(lái)，如果我們不迅速行動(dòng)，我們將被韓國(guó)和日本甩在身后。”

由于眾多企業(yè)的重視和研發(fā)，現(xiàn)有的電池技術(shù)不少，主流的就是鋰離子電池，相信隨意打開(kāi)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本，我們都可以看到其中的鋰電池，現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)也多配備了鋰離子電池。電池性能一般以單位重量的能來(lái)表示，鋰離子電池在放電時(shí)的能為鎳氫(Ni-MH)電池的兩倍左右。但是，鋰離子電池存在嚴(yán)重的局限性，就像筆記本出現(xiàn)過(guò)的著火事故一樣，一旦鋰離子電池存在內(nèi)部短路就會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱、燃燒甚至爆炸等安全性問(wèn)題。而且鋰離子電池在壽命以及大能成本方面也存在難題。IBM的研究人員認(rèn)為，鋰元素結(jié)合氧氣才是最有前途的電池技術(shù)，因?yàn)樗軌蛱峁┫喈?dāng)于鋰離子電池10倍的能。

使用新型電池的筆記本

電力為何憑空而來(lái)

1.不斷進(jìn)步的電池技術(shù)

一般手機(jī)或筆記本電腦中的普通鋰電池，是由有機(jī)電解質(zhì)的石墨(負(fù)電極)和鋰氧化鈷(正電極)組成。在充電時(shí)，鋰離子離開(kāi)正電極，而充電后，隨著鋰電池的放電使用，鋰離子(Li+)漸漸回到正電極。電子(e-)在外部電路中流動(dòng)，從而產(chǎn)生電能。要提高鋰離子電池能和性能的一個(gè)主要因素是，嵌入電極的材料設(shè)計(jì)和合成以及其優(yōu)化生產(chǎn)，其他因素包括電解質(zhì)作用、隔層和電池設(shè)計(jì)與組裝等。鋰空氣電池就是在正極上使用空氣中的氧作為活性物質(zhì)，因此理論上正極的能是無(wú)限的，可加大能。而負(fù)極使用了金屬鋰，理論能會(huì)比鋰離子電池更高。

不過(guò)，最早研發(fā)出的鋰空氣電池沒(méi)有普及的原因在于其存在著致命的缺陷，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在正極會(huì)堆積固體反應(yīng)生成物——氧化鋰(Li2O)，它將使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。于是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了新的鋰空氣電池設(shè)計(jì)，只在金屬鋰的負(fù)極使用有機(jī)電解液，而在正極的空氣一側(cè)使用水性電解液，在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過(guò)的固體電解質(zhì)隔膜，將兩者隔開(kāi)，這樣便可防止電解液混合，并促進(jìn)電池發(fā)生高效反應(yīng)。

2.空氣化學(xué)反應(yīng)發(fā)電

新的鋰空氣電池在放電時(shí)，負(fù)極的金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于含有鋰鹽的有機(jī)電解液，并將帶負(fù)電的電子(e-)供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子穿過(guò)固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中。正極通過(guò)導(dǎo)線得到電子，空氣中的氧氣(O2)和水(H2O)在微細(xì)化碳表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子(OH-)。在正極的水性電解液中與鋰離子結(jié)合生成易溶于水性電解液的氫氧化鋰(LiOH)。由于不是固體氧化鋰，這樣就不會(huì)引起空氣正極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無(wú)法通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜，因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。

電極反應(yīng)表：

在充電時(shí)，負(fù)極通過(guò)電源導(dǎo)線得到電子，鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過(guò)中間的固體電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極表面，在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰。正極反應(yīng)生成氧，產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)線。此外，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細(xì)化碳和廉價(jià)氧化物催化劑形成的正極組合，因此相比以前使用鋰氧化鈷正極的成本更低。而且鋰空氣電池還配置了充電專(zhuān)用的正極，可防止充電時(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和劣化。

3.優(yōu)勢(shì)高達(dá)100倍

新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進(jìn)行放電時(shí)，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)了能的大幅增加。另外，充電能也達(dá)到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續(xù)放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來(lái)約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍，因此使用新技術(shù)后共比鋰離子電池約高100倍。盡管水溶液性能較高，但凝膠的易用性更為出色，今后使用哪種材料就要廠家根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

新結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池還在考慮與傳統(tǒng)電池不同的使用方法，如果鋰空氣電池沒(méi)電了也可以不必進(jìn)行充電，只需要通過(guò)更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰，就可以連續(xù)使用?；谶@種新技術(shù)，筆記本、電動(dòng)汽車(chē)便可無(wú)需充電等待時(shí)間，立即使用或行駛。而且通過(guò)回收用過(guò)的水性電解液中空氣極生成的氫氧化鋰，以化學(xué)反應(yīng)的方式很容易重新生成金屬鋰，還可實(shí)現(xiàn)鋰的反復(fù)使用，可以說(shuō)這是一種以金屬鋰作為消耗物質(zhì)的新型電池，理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。

鋰空氣電池工作原理示意圖

電池中的鋰可以循環(huán)使用

為手機(jī)電池盒更換電解液

能源戰(zhàn)略之路

就如同開(kāi)始我們提到電池技術(shù)的重要性一樣，它已經(jīng)上升到一個(gè)國(guó)家能源戰(zhàn)略方案的高度。在日本，開(kāi)發(fā)鋰空氣電池技術(shù)的主要是大學(xué)、技術(shù)研究所等。雖然企業(yè)還不是主角，不過(guò)，有眾多汽車(chē)廠商與這些研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作，其中，豐田汽車(chē)就已經(jīng)與大學(xué)展開(kāi)共同研究。三菱汽車(chē)和富士重工同樣也在關(guān)注這項(xiàng)未來(lái)應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上的電池技術(shù)，并有相關(guān)的試驗(yàn)研究。東芝將在2010年實(shí)現(xiàn)手機(jī)用小型電池的實(shí)用化，由于手機(jī)市場(chǎng)規(guī)模巨大，因而更便于其他廠商涉足該領(lǐng)域，也就更容易推動(dòng)小型鋰空氣電池的普及。

在美國(guó)，由于IBM在材料科學(xué)、納米科技、化學(xué)以及超級(jí)計(jì)算機(jī)方面深具經(jīng)驗(yàn)，因此它在新電池的開(kāi)發(fā)上具有很大優(yōu)勢(shì)。IBM計(jì)劃利用納米隔膜開(kāi)發(fā)水純凈系統(tǒng)，以便將空氣中的氧氣與水等物質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)。納米結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)還可以讓它將電池中的氧分配到每個(gè)電池單元中去，以便防止堵塞?，F(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)則可以進(jìn)行建模方面的研究，使單個(gè)離子能夠通過(guò)電池中的納米隔膜。IBM還建立了電池技術(shù)聯(lián)盟，該聯(lián)盟包括了美國(guó)五大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及一批大學(xué)，大約300名頂級(jí)科學(xué)家和電池專(zhuān)家參與研究。

在英國(guó)，蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的研究小組正朝著制作適合手機(jī)和MP3使用的新型電池技術(shù)方向努力，彼得·布魯斯教授表示：“我們的突破在于把空氣中的氧氣當(dāng)成反應(yīng)物，而不是需要在電池內(nèi)部將化學(xué)物移來(lái)移去。不僅這一過(guò)程沒(méi)有消耗成本，而且這其中的碳組成部分比現(xiàn)有電池技術(shù)更為廉價(jià)。”英國(guó)巴斯大學(xué)的塞夫爾·伊斯蘭教授也認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)“前途無(wú)量”，新型鋰電池的進(jìn)步，對(duì)于道路交通的電氣化來(lái)說(shuō)意義重大，它可以幫助減少二氧化碳排放，而且對(duì)于下一代便攜式電子設(shè)備也意義非凡。

采用鋰空氣電池技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)

小結(jié)

如何制造單位能更大、充電方式更方便、成本更低廉、使用更安全的電池一直都是關(guān)鍵的技術(shù)難題，要解決這些難題還需要不斷研究和試驗(yàn)。不管各個(gè)機(jī)構(gòu)、公司研究出來(lái)的鋰空氣電池技術(shù)如何出色，僅憑這些技術(shù)未必能使新型電池立即得以廣泛地使用。但是有更多的相關(guān)企業(yè)參與，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)革新就能更快地推進(jìn)。在手機(jī)、筆記本以及汽車(chē)等載體的主導(dǎo)下，這一發(fā)展趨勢(shì)不斷加快，鋰空氣電池作為電池的首選暢銷(xiāo)于市場(chǎng)的日子也許很快就會(huì)到來(lái)。