解析新型鋰空氣電池技術(shù)

我們有必要先來了解一下電池技術(shù)的重要性，也許許多讀者會這樣認(rèn)為，“一顆小小的電池算得了什么，沒有必要去研究吧?”其實不然，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)生或存儲它的一個重要的方式。IBM成立了一個Almaden實驗室，它與龍頭企業(yè)、研究所等機構(gòu)合作開展研究鋰和氧元素結(jié)合材料的電池技術(shù)。在此之前，筆記本電腦和手機電池的技術(shù)突破是在美國完成的，而現(xiàn)在，日本和韓國已經(jīng)成為了電池技術(shù)的主導(dǎo)國家，IBM希望讓電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)由亞洲轉(zhuǎn)向美國。

就如同美國依賴中東的石油一樣，在汽車行業(yè)從傳統(tǒng)的汽油動力汽車轉(zhuǎn)向綠色的電動汽車發(fā)展之后，這個汽車大國并不想依賴于亞洲的汽車電池。因此美國企業(yè)擔(dān)心會錯失這個歷史上最重要的技術(shù)變革機會以及其帶來的市場。除了IBM，在過去5年，通用電氣也投入1.5億美元資助了新型電池的開發(fā)。就連芯片巨頭Intel也欲投入電池的生產(chǎn)，Intel前CEO Andy Grove說道：“我們在上世紀(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，如果我們不迅速行動，我們將被韓國和日本甩在身后。”

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，相信隨意打開手機、數(shù)碼相機、筆記本，我們都可以看到其中的鋰電池，現(xiàn)有的電動汽車也多配備了鋰離子電池。電池性能一般以單位重量的能來表示，鋰離子電池在放電時的能為鎳氫(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)過的著火事故一樣，一旦鋰離子電池存在內(nèi)部短路就會導(dǎo)致過熱、燃燒甚至爆炸等安全性問題。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)，因為它能夠提供相當(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

1.不斷進步的電池技術(shù)

一般手機或筆記本電腦中的普通鋰電池，是由有機電解質(zhì)的石墨(負(fù)電極)和鋰氧化鈷(正電極)組成。在充電時，鋰離子離開正電極，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，從而產(chǎn)生電能。要提高鋰離子電池能和性能的一個主要因素是，嵌入電極的材料設(shè)計和合成以及其優(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限的，可加大能。而負(fù)極使用了金屬鋰，理論能會比鋰離子電池更高。

不過，最早研發(fā)出的鋰空氣電池沒有普及的原因在于其存在著致命的缺陷，通過化學(xué)反應(yīng)，在正極會堆積固體反應(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，只在金屬鋰的負(fù)極使用有機電解液，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)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)隔膜，將兩者隔開，這樣便可防止電解液混合，并促進電池發(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，負(fù)極的金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于含有鋰鹽的有機電解液，并將帶負(fù)電的電子(e-)供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中。正極通過導(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，這樣就不會引起空氣正極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質(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。

電極反應(yīng)表：

在充電時，負(fù)極通過電源導(dǎo)線得到電子，鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過中間的固體電解質(zhì)到達負(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用的正極，可防止充電時空氣極發(fā)生腐蝕和劣化。

3.優(yōu)勢高達100倍

新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進行放電時，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說實現(xiàn)了能的大幅增加。另外，充電能也達到約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)需要進行開發(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，如果鋰空氣電池沒電了也可以不必進行充電，只需要通過更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補給負(fù)極的金屬鋰，就可以連續(xù)使用?；谶@種新技術(shù)，筆記本、電動汽車便可無需充電等待時間，立即使用或行駛。而且通過回收用過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，還可實現(xiàn)鋰的反復(fù)使用，可以說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

為手機電池盒更換電解液

能源戰(zhàn)略之路

就如同開始我們提到電池技術(shù)的重要性一樣，它已經(jīng)上升到一個國家能源戰(zhàn)略方案的高度。在日本，開發(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，有眾多汽車廠商與這些研究機構(gòu)進行了合作，其中，豐田汽車就已經(jīng)與大學(xué)展開共同研究。三菱汽車和富士重工同樣也在關(guān)注這項未來應(yīng)用在電動汽車上的電池技術(shù)，并有相關(guān)的試驗研究。東芝將在2010年實現(xiàn)手機用小型電池的實用化，由于手機市場規(guī)模巨大，因而更便于其他廠商涉足該領(lǐng)域，也就更容易推動小型鋰空氣電池的普及。

在美國，由于IBM在材料科學(xué)、納米科技、化學(xué)以及超級計算機方面深具經(jīng)驗，因此它在新電池的開發(fā)上具有很大優(yōu)勢。IBM計劃利用納米隔膜開發(fā)水純凈系統(tǒng)，以便將空氣中的氧氣與水等物質(zhì)隔離開來。納米結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗還可以讓它將電池中的氧分配到每個電池單元中去，以便防止堵塞。現(xiàn)有的超級計算機則可以進行建模方面的研究，使單個離子能夠通過電池中的納米隔膜。IBM還建立了電池技術(shù)聯(lián)盟，該聯(lián)盟包括了美國五大國家實驗室以及一批大學(xué)，大約300名頂級科學(xué)家和電池專家參與研究。

在英國，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)物移來移去。不僅這一過程沒有消耗成本，而且這其中的碳組成部分比現(xiàn)有電池技術(shù)更為廉價。”英國巴斯大學(xué)的塞夫爾·伊斯蘭教授也認(rèn)為這項技術(shù)“前途無量”，新型鋰電池的進步，對于道路交通的電氣化來說意義重大，它可以幫助減少二氧化碳排放，而且對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)的電動汽車

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。不管各個機構(gòu)、公司研究出來的鋰空氣電池技術(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。在手機、筆記本以及汽車等載體的主導(dǎo)下，這一發(fā)展趨勢不斷加快，鋰空氣電池作為電池的首選暢銷于市場的日子也許很快就會到來。