“锂空气电池”成为世界各地实验室努力破解的技术

东京大学研究生院水野哲孝教授的研究小组与日本触媒公司共同开发出了采用新原理的二次电池，在正极利用氧化物离子与过氧化物离子之间的氧化还原反应。该研究小组查明，在正极利用在Li2O（氧化锂）晶体内添加Co（钴）形成的物质时，充放电反应中就会有过氧化物生成和消失，由此实现了新原理的电池系统。这种电池的能源密度达到了现行锂离子二次电池的7倍，而且还可增加容量，降低价格，提高安全性。有望作为EV（纯电动汽车）用途及固定蓄电用途的新一代二次电池。

通常锂离子二次电池在正极使用的是LiCoO2（锂钴氧化物）等容易产生锂离子嵌入/脱离的过渡金属氧化物。由于是由分子量较大的过渡金属来担负氧化还原作用的，所以单位重量的能量密度及容量无法太大。而且锂的价格也很高，因此还存在减少锂的使用量以降低成本的要求。

而此次的新一代二次电池研究的是在正极利用O2（氧气）分子的氧化还原反应的锂空气电池，理论上可实现最大的能量密度。但这种电池也存在诸多问题，比如放电反应产生的Li2O2（过氧化锂）等会导致正极阻塞；由于是开放结构，因此空气中的水分及CO2（二氧化碳）容易混入，造成电极和电解液劣化；反应中生成的活性氧类物质会导致有机电解液不稳定，等等。因此，一直未能真正投入实用。

此次东大和日本触媒开发的电池在正极利用Li2O与Li2O2之间的氧化还原反应，在负极利用金属锂的氧化还原反应，两电极活性物质的单位重量的理论容量为897mAh/g，电压为2.87V，理论能量密度为2570Wh/kg。按两电极活性物质的单位重量计算，能量密度达到370Wh/kg，与使用LiCoO2正极和石墨负极的现行锂离子二次电池相比，约为后者的7倍。这种新型电池的理论能量密度虽然不及锂空气电池的3460Wh/kg，但与目前的锂离子二次电池一样采用密闭结构，因此可靠性及安全性出色。

此次，研究小组使用行星式球磨机在Li2O晶体结构内添加了钴，将其用作正极活性物质。经证实，使用这种正极可实现氧化物与过氧化物间的氧化还原反应可逆的电池系统。同时还实施了过氧化物的定量分析，确认充电反应时正极中有过氧化物生成，放电反应时正极中的过氧化物消失，而且这种反应能够反复发生。此外还确认在能够可逆充放电的范围内没有O2及CO2产生，正极能够实现容量为200mAh/g的反复充放电，同时支持大电流快速充放电。另外，此次使用的正极与现行锂离子二次电池使用的LiCoO2相比，钴的重量比较小，有望降低原料成本。

“锂空气电池”成为世界各地实验室努力破解的技术

如果你有幸造访美国加州像拉霍亚(LaJolla)这些超级富豪云集的地区,或者去到像芒廷维尤(MountainView)这些高科技公司扎堆的地方,就有机会领略未来。

确切地说,领略汽车业未来。特斯拉、日产聆风和丰田普锐斯或类似的汽车,在路面上比比皆是。电动汽车和混合动力汽车与普通燃油汽车在车流中交相辉映；许多企业、购买中心和家庭也都安装了充电桩。

如果电动汽车厂商们果真如愿以偿,这就是我们在某个时段都会置身于其中的未来;汽车厂商们正不惜投入巨资,让这一幕成为现实。问题是,将小片地区的需求变成全国地区的需求有多容易?

在加州另一处,埃隆·马斯克(ElonMusk)创办的特斯拉汽车公司(TeslaMotors)最近提议计划,在尚未披露的美国西南地区新建一家巨型电池工厂(具体厂址成了热议话题)。这个所谓的“千兆工厂”预计造价高达50亿美元,定于2020年生产的锂离子电池可满足50万辆汽车的需求——年产量超过2013年全球年产量。

可是一些人士认为,等到这家工厂破土开张,特斯拉的计划到时似乎就过时了。IHSAutomotive是领先的全球汽车业务情报提供商,该公司的高级规划主管菲尔·戈特认为,特斯拉的宏伟计划“恐怕考虑欠周”。原因是,正在研发的新技术有望提供更出色的替代技术,解决专家们所说的电动汽车面临的最大阻碍因素之一。

电动汽车面临的这个问题就是,电池又大又重；因而,安装上去的电池数量很有限。比如说,特斯拉ModelS的电池组平铺在汽车地板上,大概长2米、宽1.2米。在顶级配置车型中,电池组提供大约300英里(482公里)的行驶里程,之后就需要插入充电桩充电。日产聆风充一次电可以跑80英里(128公里)左右。除此之外,充电过程比起只需加油要慢得多。

那么,如何才能生产出性能更好的电池?从最基本层面来说,电池含有正负极、隔板和电解质。许多不同类型的材料可以用作电解质,不同的材料组合让电池可以贮存不同数量的能量。不过,要是材料发生变化,电池续航时间和安全特征也随之变化,所以总是少不了折中办法。锂离子电池大行其道,但发生过锂电池在飞机上短路起火的事件,因而携带受严格限制。任何活性更强或不稳定的电池都有安全隐患。不过,如果设计出最佳的材料组合,有望获得巨大回报。

在最近研究工作之前的数十年中,电池技术已得到了一系列改进。

最先问世的是铅酸电池,这种电池今天仍然广泛应用于汽车,它们个头庞大。接着出现了镍镉(NiCad)电池,这种可充电电池由此开启了便携式技术唱主角的新时代:笔记本电脑和手机等移动设备,还有我们小时候的遥控汽车。再后来出现了镍氢(NiMH)电池,电池容量或能量密度大概翻了一番。现在,现代化的设备和电动汽车普遍使用锂离子(Li-ion)电池。

展望未来,准备迎接名字越来越复杂的电池技术,比如锂镍锰钴氧(LiNiMnCo)电池。这种材料的特性很复杂;眼下,研究人员致力于不仅搞清楚为何这些材料能工作,还要搞清楚如何工作——电子在材料中移动的基本物理原理。

丹尼尔·亚伯拉罕(DanielAbraham)是美国阿尔贡国家实验室的材料科学家,他说:“我们阿尔贡国家实验室在研究一些材料,它们有望将电池当前的能量密度提高一倍。我们先梦想或设想想要处理的材料,然后努力在实验室合成材料。”

目前,备受瞩目的几种电池包括:锂空气电池(更确切地说是锂氧气电池)和锂硫电池。若能做到可以在各种条件下正常工作,锂氧气电池的性能有望比目前的锂离子电池大幅提升,提高整整一个数量级。亚伯拉罕说:“这是当前一个非常热门的研究领域。”

的确,大众汽车公司最近暗示,它在研究锂空气电池。由于开发工作还没有最终完成,大众采用的具体的化学/材料组合还没有透露。这家公司的工程师们甚至不愿表示这项技术已在汽车中进行了测试,还是仍处在“实验台”阶段。

不过,虽然这项技术有望带来变革,但想要生产出工作起来持续、可靠、安全的锂空气电池,还面临一大堆技术挑战。到目前为止,试验证明电极很不稳定。

不过世界各地的实验室正在努力破解这个难题,试图克服种种缺点。但愿更重视这些“超锂离子”技术,会确保研发过程加快,并从长远来看,确保汽车跑得更快、跑得更远。