金属空气电池发展简析

近年，作为一种新型电池，以锂空气电池为代表的金属空气电池(以下，在不引起混乱的前提下，简称为空气电池)，越来越多地获得研发人员和市场相关者的瞩目。

其原因在于：如果这种电池能过研发成功，将大幅度提高车载电池的性能，使电动车的续航能力达到或超过现有汽油、柴油发动机车的水准。

如果空气电池的研究能够取得突破，在与内燃机动力车以及燃料电池车的续航历程竞争中，目前处于劣势的电动车将会脱颖而出。而空气电池将会取代目前主流的锂离子电池，一举登上霸主地位。

本文将对目前车载蓄电池的问题，以及空气电池的发展作一概述。

1.锂离子电池的问题

1.1锂离子电池所带来的不安

在波音公司新型大型客机Boeing787多次发生与蓄电池相关的事故后，世界各国对锂离子电池的安全性更加重视。

经常乘飞机的人可能会发现：以前在办理登机手续和进行安检时，要求乘客放在托运行李中的电脑、充电宝、游戏机等电器产品，现在被要求放在手提行李中了。

也许没有多少人能注意到：这些电器产品中有很多都是使用锂离子电池的。

虽然对此没有哪家特种公司给出明确的说法，但原因恐怕有以下两方面：一方面，放在托运行李中可能会因碰撞而发生燃烧；另一方面，认为锂离子电池有着火的可能，而将其放在目所能及之处，以便能够及时对应这种思路恐怕是原因之一。不管是什么原因，锂离子电池容易起火燃烧已经成为人们的共识。

在信息泛滥的现代社会，小到手机在充电、使用中着火，大到飞机因电池原因而停飞。与锂离子电池的可靠性相关的资讯源源不断。

在一定程度上这些信息表明：目前的锂离子电池技术已经走入了某种技术上的瓶颈，需要人们重新考虑锂离子电池的定位问题。

1.2锂离子电池问题的根源

大家知道：和以前在家庭中广泛使用的镍镉、镍氢电池以及在交通工具中使用的铅酸电池相比，锂离子电池具有很多的优势。

最大的优势，就是锂离子电池的单位能量密度很高。锂离子电池的标称电压(NominalVoltage)为3.6伏特，同时体积小、重量轻，非常适用于对于重量较为敏感的电动车。

与上述优点相对的，是锂离子电池同样是一种不安定的能量载体。

如果锂离子电池处于空电状态(即电池中电量接近零的状态)时，电池的正负极分别是钴酸锂(LiCoO2)和石墨。这两种物质相当稳定，所以电池一般不容易出现燃烧和爆炸现象。

而当锂离子电池处于充满电的状态时，其阳极材料成分主要是脱锂状态的钴酸锂(Li0.5CoO2)，阴极材料成分是嵌锂碳(LiC6)。钴酸锂在高温下会发生分解反应释放氧气，而嵌锂碳的化学反应活性基本上与金属锂相近。所以如果电池发生故障，产生高温并燃烧，那基本上就相当于金属锂在富氧环境中燃烧一样了！

除锂离子电池的电极材料本身不安定之外，锂离子电池所使用的电解液，也是造成电池发生着火事故的元凶。

目前人类在日常生活中所接触到的化合物液体，从种类上分只有两种：一种是无机化合物的水溶液，比如酸、碱、盐等的溶液；另一种是液体有机物，如苯、烷、乙醇等。由于水的理论分解电压仅为1.23V，所以以水溶液为电解液体系的蓄电池最高电压只能达到2.0V左右。因此，在选择电池的电解液时，为保证锂离子电池具有足够高的输出电压，在电池中使用的电解液多为分解电压较高的有机溶液。

但是，很多的有机电解液气其蒸汽压较低，当电池升温到一定程度就会挥发。如果挥发出的气体具有燃烧性质，则很容易起火。

锂离子电池受阳极和阴极材料的限制，充放电容量有限。所以如欲增加电池容量，必须将复数个电池组合在一起使用。由此而带来的问题，就是电池整体重量过大、个别电池的性能差异会影响到整个电池组的性能。

所以，不论是从安全性的角度出发，还是为了防止因过度充放电而带来的锂离电池的性能劣化，都需要在电池组中设置对每个电池单元进行电压和温度状态监视的机制。同时，考虑到监视系统本身也有可能出现故障，还需要有检测该系统工作状态的独立系统。这样自然就造成了锂离子电池高价格状态。

另外，从地壳的丰度看，锂属于稀有金属。目前在国际上只有包括我国在内的有限的几个国家能够出产。所以对很多国家来说，从资源战略的角度看，金属锂并不是一种理想的物质。

综上所述，作为目前车载电池主流的锂离子电池，在经过广泛地应用后，特别是在与其他动力形式的竞争中，逐渐地显现出其技术上和原理上的限界。电池行业必须要有化学体系的重大突破，或者在电池构造方面另辟蹊径，才能满足整个社会不断增长的对大容量电池的需求。在这种状况下，空气电池这种具有独特构造的能量载体再次进入研究人员的视野。