會“呼吸”的精靈——IBM鋰空氣電池

付甜甜

電動車以其環(huán)保節(jié)能而成為熱點，但是制約其發(fā)展的一大軟肋就是“里程焦慮”(range anxiety)，即續(xù)航里程短。目前豐田普銳斯、雪佛蘭沃蘭達、福特C-Max等主流電動車身都是搭載鋰離子電池給電機提供電能。在純電模式滿電狀態(tài)下，平均可以覆蓋160km的續(xù)航里程。由于目前充電站數(shù)量還沒達到加油站的規(guī)模，這個續(xù)航里程對于很多人來講是不夠用的。相反，如果硬要在當前鋰電池技術基礎上擴充容量，則會造成車載蓄電池體積過大過重?？梢姡斍颁囯姵厝萘亢驮靸r、體積以及質(zhì)量是不可調(diào)和的矛盾。

IBM鋰空氣電池就是為了解決這一不可調(diào)和的矛盾而提出來的。早在 2009年，IBM就提出“Battery 500Project”(電池 500)計劃，旨在研發(fā)出一種鋰空氣電池技術，在保持當前車載電池體積質(zhì)量以及成本控制基礎上，讓電池一次充電能夠維持車輛至少805km的續(xù)航里程，和當前電動車續(xù)航里程相比較，整整提高了五倍。“電池500”技術是一個可循環(huán)系統(tǒng)，采用普通空氣作為化學試劑，充電時，可以把氧氣重新釋放到環(huán)境中，也因此IBM又稱這款電池為“空氣呼吸電池”。

IBM鋰空氣電池的結(jié)構如圖所示，陽極為鋰金屬板，陰極為表面碳層，中間有兩層電解質(zhì)，其中靠近鋰金屬電板一側(cè)的電解質(zhì)負責接收由鋰金屬板釋放的鋰離子，而靠近碳層一側(cè)的電解質(zhì)則負責把接收到的鋰離子更好地滲透至碳層。兩種電解質(zhì)中間有阻擋膜，用以阻止不同層面物質(zhì)之間的相互滲透與污染。

在陽極(金屬鋰)一側(cè)使用有機電解液，在陰極(空氣)一側(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發(fā)生反應。陽極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機電解液。雖然不能棄用有機溶媒，但卻限定了使用方法。陰極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價氧化物催化劑形成的正極組合。

在給車輛充電的時候，氧氣和來自陽極的鋰離子發(fā)生反應，生成氧化鋰并儲存電流。在電池放電的時候，氧化鋰化合物分解為鋰離子和氧氣，鋰離子經(jīng)過電解質(zhì)和電解質(zhì)中間層滲透回陽極鋰電板，氧氣重新釋放回大氣層。兩個過程都在陰極碳層內(nèi)部發(fā)生。

在IBM鋰-空氣電池中，由于放電反應生成的并非是固體的Li2O，而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導致工作停止。水及氮等也不會穿過固體電解質(zhì)的隔壁，因此不存在與陽極的鋰金屬發(fā)生反應的危險。而且，在充電時，如果配置充電專用的陽極，還可防止充導電致空氣電極的腐蝕和老化。

目前，動力電池大多采用鋰離子電池，即用鋰化合物來做正極(通常石墨做負極)，相比氫鎳電池其能量密度更大，但伴隨的問題是穩(wěn)定性下降。一般來說，鋰離子電池的比能量為100～250Wh/kg；而汽油的比能量，則達到了13000Wh/kg。鋰-空氣電池概念提出始于上個世紀70年代，該技術之所以如此受關注，就是因為它的理論能量密度達到了11680Wh/kg，幾乎與汽油密度持平。經(jīng)由IBM鋰空氣電池產(chǎn)生的比能量(單位：J/kg;表示單位質(zhì)量電池所儲存的電量)是普通鋰電池(如日產(chǎn)Leaf身上搭載的那款)的10倍。不過在獲得如此高的電量裝載的同時，其穩(wěn)定性也大有進步的空間。

IBM鋰空氣電池的呼吸不同尋常，既不像植物的光合作用消耗空氣中的二氧化碳產(chǎn)生氧氣，又不像人類的呼吸作用吸入氧氣產(chǎn)生二氧化碳，它吸入的是氧氣，但氧氣在充電過程又再次放出，并且整個過程中不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)，完全是零污染的綠色過程。

IBM是鋰空氣電池技術研發(fā)的領導者，自2009年以來，IBM公司一直致力于“電池500”計劃的研究，近年日本旭化成(AsahiKasei)及中央硝子(CentralGlass)2家公司也加入IBM“電池500”計劃團隊，共同合作開發(fā)鋰空氣電池。近期IBM鋰空氣電池樣品有望問世，要實現(xiàn)商業(yè)化則需要5～10年的時間。鋰空氣電池也定會成為電動車電池的明日之星。

總體來看，鋰空氣電池目前還處在研發(fā)階段，離實用化還有一段距離。目前全球已經(jīng)有上千個研究單位在從事鋰空氣電池方面的研究。近期，MIT公司推進了鋰-空氣電池的催化劑的開發(fā)，美國科學家研制出了一種新式碳纖維鋰空氣電池，豐田公司也發(fā)力于鋰空氣電池，開始進入“后鋰離子充電電池技術”時代。經(jīng)過科研人員不懈的努力，期望在不久的將來這一會呼吸的綠色電池可以真正實現(xiàn)在電動汽車方面的應用，從而為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

空氣電池分類

鋅空氣電池：鋅空氣電池，用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。鋅空氣電池又分為中性鋅空氣電池、紐扣式鋅空氣電池、低功率大荷電量的鋅空氣電池、高功率鋅空氣電池。

鋰空氣電池：鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。鋰-空氣電池主要有4種類型，分別是質(zhì)子惰性的、液態(tài)、固態(tài)以及混合型的。

鋁空氣電池：鋁空氣電池，顧名思義就是以鋁與空氣作為電池材料的一種新型電池。它是一種無污染、長效、穩(wěn)定可靠的電源，是一款對環(huán)境十分友好的電池，具有比能量大、質(zhì)量輕、無毒無危險的特點。