钜大LARGE | 点击量：2275次 | 2019年06月29日
锂空气电池的发展
1.锂离子电池瓶颈到来
近些年，关于锂离子电池的“打破”接连不断。“容量翻倍”“续航耐久”“快速布满”等关键词，不断撩拨大众的神经。
但随之而来的理性分析，又使这些浮华的修饰盎然失容。人们缤纷诉苦媒体标题误人，并没有真实处理现在的现状与困难。
当然，锂离子电池技术在不断行进。但从某种层面讲，锂离子电池早已徜徉在步履维艰的瓶颈阶段。
构成这一瓶颈的最底子原因，是所谓的“物理天花板”——锂离子电池存在理论的储能上限。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
而且，很不幸，我们快要接近这个上限了。
依据技术翻开的“S型曲线”理论，一项技术大体是从出世、翻开到瓶颈，直到被另一项技术所替代。锂离子电池也逃不出这样的宿命循环。
当旧实力增加乏力的时候，新的实力总能异军突起，支撑起新的翻开。
在替代锂离子电池的许多技术中，锂空气电池，可能是个答案。
若要谈及未来，我们也不敢放下百分之百的定论，只是供给一种替代“锂离子电池”的技术备选。
电池技术翻开的S型曲线
2.初显锋芒，锂空气电池步履蹒跚
尽管称谓近似，但“锂离子电池”和“锂空气电池”是全然不同的两个系统，所触及的原理也大相径庭。
“锂空气电池”这个概念，最早见于1970年代。它的中心原理，是让锂与空气中的氧气进行反应，将发生的能量直接转为电能。
这就好像烧木头或烧煤炭，作为人类获取动力最普遍的办法，让资料与氧气直接反应，所带来的是极高的能量开释。据核算，锂空气电池的能量密度能够达到每千克12000瓦时，这一数值几乎是锂离子电池的10倍，甚至接近了汽油的能量水平（每千克13000瓦时）[1]。
锂与空气的这看似简略组合，将电池技术的物理天花板，提升了整整一个数量级！
而且，它运用的氧气来自于空气，这部分资料近乎无限。
可是，工作注定不会如此简略。在这方兴未已的不和，潜藏着的，仍然是一篇混沌：锂空气电池中发生的反应过火杂乱，还伴跟着许多的副产品生成。甚至许多科学家们会感觉自己的研讨其实是“形而上学”。
2016年，来自美国和欧洲的几位锂空气的专家凑在一起，为《天然·动力》写了一篇介绍锂空气电池翻开现状的文章[1]，里面开篇便是一句：
“在基础层面，我们对（锂空气）电池中的反应进程所知甚少。”
随后，又说：
“没人知道锂空气电池是否会成为一项技术，可是为了社会翻开和人类未来，我们应该尽力而为去根究（锂空气电池的）可能性”
也便是说，经历了近50年的翻开，这个领域中最出色的学者，面临世人时，却只能低声地叹息：“我们几乎一无所知”。
比起那些“充电10分钟，续航1000里”的报导，这肯定是一篇“谦虚”的论文。由于学者们都心里有数，人类在锂空气的研讨中现已栽了太多跟头。
有个业界的八卦，说是一位很有声望的科学家发了一篇锂空气电池的文章，达到了一个很棒的功用，可他人怎样也重复不出来。后来发现，他所做的锂空气电池中，发生反应的其实是集流体和电池壳，而不是预料的金属锂。究竟闹得为难收场。
甚至有些科研巨擘也难逃锂空气的咒骂。
从最早的移动原子到后来的量子核算，美国IBM公司在微观科学领域，能够说是执牛耳者。他们就曾想攻下锂空气电池这个山头。
IBM在2009年推出一项名为“Battery500”的方案，期望能开宣告一套让电动车行进500公里的锂空气电池。项目伊始，他们设想在2013年造出原型机，2020年完结商业化出产。
可是，2012年之后，“Battery500”就戛可是止了，很难在网上搜到其只言片语。假设不是IBM有意雪藏，那就只能阐明，这个方案已然阻滞。
也有传言说IBM并没抛弃，而是转向了其他方案。但这些江湖风闻，我们也只能姑且听之，真假难辨。
IBM官网关于"Battery500"项目的介绍，究竟一项研讨效果发表于2011年。图片来历：IBM.com
3.不断根究，迷雾中曙光初现
尽管前路漫漫，但锂空气电池却也在悄然生长，慢慢翻开。
让我们从IBM“失利”之后开始叙说，看看在蓝色伟人倒下后，又发生了什么。
首要，需求回想一下锂空气电池的底子关键。一块锂空气电池，由负极（金属锂）、正极（空气中的氧气）和电解液组成。尽管只需简略的三个部分，但每一部分的研讨都面临着巨大的应战。
以电解液为例。此前，常用于电池中的电解液是聚碳酸酯，它们不只易燃易爆，而且在充放电时会不断腐蚀电极，底子上几次充放电后，一块锂空气电池就算报废了。
2012年，来自牛津大学的化学家彼得·布鲁斯提出把聚碳酸酯换成一种名叫二甲基亚砜（DMSO）基电解液。这种新式电解液就不那么容易与电极发生反应。所以，他们成功地让锂空气电池安稳循环了100次[2]。
可是，跟着研讨深化，许多人开始对这个电解液发生质疑。原因倒不是出自二甲基亚砜本身，而是源自一种锂空气反应进程的中心产品——过氧化锂（Li2O2）。过氧化锂是一种强氧化剂，会把二甲基亚砜氧化二甲基砜，然后构成电池功用的极大衰减。
有的研讨组发现，由于这个氧化现象太严峻，他们的电池循环了几十次后，整个电解液都变了色彩。人们甚至估测，布鲁斯的团队开始之所以循环100次，正由于这是二甲基亚砜保质的上限。
随后的展开来自于美国阿贡试验室。这家老牌研讨所诞生于二战时期，曾制造出人类历史上第一个可控核反应堆。冷战之后，阿贡试验室的研讨转向于动力方向，成为电池领域最受敬重的组织之一。
一个来自阿贡试验室的团队，通过将一种名为离子液体的资料与二甲基亚砜混合，成功地增强了电解液的安稳性。此外，他们还运用纳米技术，在原有电极的外表增加了一层保护膜。这两方面的规划，极大的降低了副反应的发生，这个团队成功地将锂空气电池的循环记载提高到了750次[3]。
这个重要的行进激发了媒体与大众的喜爱，一时间宣传案牍雨后春笋，甚至有人开始声称“锂空气电池的年代现已到来”。
可是，研讨电池的业界人士却挑选沉默幽静幽静。由于他们知道，许多问题仍然回旋扭转在锂空气电池领域。其间，最哀痛的坎，便是Li2O2的问题仍然存在。阿贡试验室的改进，只是减缓了这种强氧化剂腐蚀电极的速度，可是这个安全风险，仍然蛰伏在锂与空气的反应之中。
针对这一问题，人们要返璞归真到热力学的实质中去寻找答案。
我们都知道，温度会对一个化学反应的进行发生巨大影响。假设将环境温度提高到150℃以上，那么，锂和氧气的反应就会优先生成氧化锂（Li2O）。Li2O的氧化性就相对温文，对电极的腐蚀作用也要缓慢许多。
不同温度中，锂与氧气反应的自由能。[4]
可是，150℃啊！在这个温度下，作为有机物的二甲基亚砜，具有极大的爆破风险。
既然如此，我们就再换一种电解液吧。在近期的《科学》杂志上，来自加拿大的科学家们，运用熔盐作为电解液处理了这个问题，
他们将两种硝酸盐（LiNO3和KNO3）混合，并加热到150℃。此刻，这种混合物会融化成液态。运用这个液态的熔盐，再配合上新规划的电极资料，居然成功躲避掉了浮躁的Li2O2。在他们的试验台上，整个锂空气电池平稳运行了起来，而且中心产品全部是温文的Li2O。更令人欢欣的是，研讨者发现这种全新的锂空气电池，表现出了更强的储能才调！
不同中心产品对锂空气电池的影响示意图。[5]
尽管储能才调变得更健壮，但不管怎样看，150℃都不是一个友善的温度。很难梦想，怎样将一个堪比铁板烧的电池放进手机后盖，或许坐在热腾腾的电炉子上开车通勤。关于这一问题，作者也暂时没有适宜的应对办法，这无疑给锂空气电池的实践运用带来了妨碍。
4.结语
旧技术，老到与式微；新技术，诞生与曲折。电池的翻开，无可逃过伴跟着这些起伏与苍茫。一个问题的处理，又带出了另一个，甚至另几个新问题。
在看不到止境的往复中，锂空气电池，是否还能给人类一个储能的答案？
拭目以待。
上一篇：关于软包电池一些事
下一篇：有关锂电池认证解析
