解析新型锂空气电池技术

我们有必要先来了解一下电池技术的重要性，也许许多读者会这样认为，“一颗小小的电池算得了什么，没有必要去研究吧 ”其实不然，电力一直都是我们生活中最重要的能源之一，而电池就是产生或存储它的一个重要的方式。IBM成立了一个Almaden实验室，它与龙头企业、研究所等机构合作开展研究锂和氧元素结合材料的电池技术。在此之前，笔记本电脑和手机电池的技术突破是在美国完成的，而现在，日本和韩国已经成为了电池技术的主导国家，IBM希望让电池技术的领导权由亚洲转向美国。

就如同美国依赖中东的石油一样，在汽车行业从传统的汽油动力汽车转向绿色的电动汽车发展之后，这个汽车大国并不想依赖于亚洲的汽车电池。因此美国企业担心会错失这个历史上最重要的技术变革机会以及其带来的市场。除了IBM，在过去5年，通用电气也投入1.5亿美元资助了新型电池的开发。就连芯片巨头Intel也欲投入电池的生产，Intel前CEO Andy Grove说道：“我们在上世纪70年代失去了电池技术的控制权。电池技术将决定未来，如果我们不迅速行动，我们将被韩国和日本甩在身后。”

由于众多企业的重视和研发，现有的电池技术不少，主流的就是锂离子电池，相信随意打开手机、数码相机、笔记本，我们都可以看到其中的锂电池，现有的电动汽车也多配备了锂离子电池。电池性能一般以单位重量的能来表示，锂离子电池在放电时的能为镍氢(Ni-MH)电池的两倍左右。但是，锂离子电池存在严重的局限性，就像笔记本出现过的着火事故一样，一旦锂离子电池存在内部短路就会导致过热、燃烧甚至爆炸等安全性问题。而且锂离子电池在寿命以及大能成本方面也存在难题。IBM的研究人员认为，锂元素结合氧气才是最有前途的电池技术，因为它能够提供相当于锂离子电池10倍的能。

使用新型电池的笔记本

电力为何凭空而来

1.不断进步的电池技术

一般手机或笔记本电脑中的普通锂电池，是由有机电解质的石墨(负电极)和锂氧化钴(正电极)组成。在充电时，锂离子离开正电极，而充电后，随着锂电池的放电使用，锂离子(Li+)渐渐回到正电极。电子(e-)在外部电路中流动，从而产生电能。要提高锂离子电池能和性能的一个主要因素是，嵌入电极的材料设计和合成以及其优化生产，其他因素包括电解质作用、隔层和电池设计与组装等。锂空气电池就是在正极上使用空气中的氧作为活性物质，因此理论上正极的能是无限的，可加大能。而负极使用了金属锂，理论能会比锂离子电池更高。

不过，最早研发出的锂空气电池没有普及的原因在于其存在着致命的缺陷，通过化学反应，在正极会堆积固体反应生成物——氧化锂(Li2O)，它将使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。于是日本产业技术综合研究所发布了新的锂空气电池设计，只在金属锂的负极使用有机电解液，而在正极的空气一侧使用水性电解液，在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质隔膜，将两者隔开，这样便可防止电解液混合，并促进电池发生高效反应。

2.空气化学反应发电

新的锂空气电池在放电时，负极的金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于含有锂盐的有机电解液，并将带负电的电子(e-)供应给导线。溶解的锂离子穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。正极通过导线得到电子，空气中的氧气(O2)和水(H2O)在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水性电解液中与锂离子结合生成易溶于水性电解液的氢氧化锂(LiOH)。由于不是固体氧化锂，这样就不会引起空气正极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。

电极反应表：

在充电时，负极通过电源导线得到电子，锂离子(Li+)由正极的水性电解液穿过中间的固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。正极反应生成氧，产生的电子供应给导线。此外，正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合，因此相比以前使用锂氧化钴正极的成本更低。而且锂空气电池还配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。

3.优势高达100倍

新型锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率进行放电时，放电能约为9000mAh/g。以前的锂空气电池的放电能仅为700～3000mAh/g，可以说实现了能的大幅增加。另外，充电能也达到约9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中连续放电20天，其放电能约为50000mAh/g，比原来约高10倍。由于锂空气电池的能量原本就比锂离子电池约高10倍，因此使用新技术后共比锂离子电池约高100倍。尽管水溶液性能较高，但凝胶的易用性更为出色，今后使用哪种材料就要厂家根据需要进行开发。

新结构的锂空气电池还在考虑与传统电池不同的使用方法，如果锂空气电池没电了也可以不必进行充电，只需要通过更换正极的水性电解液，以卡盒等方式补给负极的金属锂，就可以连续使用。基于这种新技术，笔记本、电动汽车便可无需充电等待时间，立即使用或行驶。而且通过回收用过的水性电解液中空气极生成的氢氧化锂，以化学反应的方式很容易重新生成金属锂，还可实现锂的反复使用，可以说这是一种以金属锂作为消耗物质的新型电池，理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。

锂空气电池工作原理示意图

电池中的锂可以循环使用

为手机电池盒更换电解液

能源战略之路

就如同开始我们提到电池技术的重要性一样，它已经上升到一个国家能源战略方案的高度。在日本，开发锂空气电池技术的主要是大学、技术研究所等。虽然企业还不是主角，不过，有众多汽车厂商与这些研究机构进行了合作，其中，丰田汽车就已经与大学展开共同研究。三菱汽车和富士重工同样也在关注这项未来应用在电动汽车上的电池技术，并有相关的试验研究。东芝将在2010年实现手机用小型电池的实用化，由于手机市场规模巨大，因而更便于其他厂商涉足该领域，也就更容易推动小型锂空气电池的普及。

在美国，由于IBM在材料科学、纳米科技、化学以及超级计算机方面深具经验，因此它在新电池的开发上具有很大优势。IBM计划利用纳米隔膜开发水纯净系统，以便将空气中的氧气与水等物质隔离开来。纳米结构方面的经验还可以让它将电池中的氧分配到每个电池单元中去，以便防止堵塞。现有的超级计算机则可以进行建模方面的研究，使单个离子能够通过电池中的纳米隔膜。IBM还建立了电池技术联盟，该联盟包括了美国五大国家实验室以及一批大学，大约300名顶级科学家和电池专家参与研究。

在英国，苏格兰圣安德鲁斯大学的研究小组正朝着制作适合手机和MP3使用的新型电池技术方向努力，彼得·布鲁斯教授表示：“我们的突破在于把空气中的氧气当成反应物，而不是需要在电池内部将化学物移来移去。不仅这一过程没有消耗成本，而且这其中的碳组成部分比现有电池技术更为廉价。”英国巴斯大学的塞夫尔·伊斯兰教授也认为这项技术“前途无量”，新型锂电池的进步，对于道路交通的电气化来说意义重大，它可以帮助减少二氧化碳排放，而且对于下一代便携式电子设备也意义非凡。

采用锂空气电池技术的电动汽车

小结

如何制造单位能更大、充电方式更方便、成本更低廉、使用更安全的电池一直都是关键的技术难题，要解决这些难题还需要不断研究和试验。不管各个机构、公司研究出来的锂空气电池技术如何出色，仅凭这些技术未必能使新型电池立即得以广泛地使用。但是有更多的相关企业参与，基础设施建设及技术革新就能更快地推进。在手机、笔记本以及汽车等载体的主导下，这一发展趋势不断加快，锂空气电池作为电池的首选畅销于市场的日子也许很快就会到来。