会“呼吸”的精灵——IBM锂空气电池<br/>

会“呼吸”的精灵——IBM锂空气电池

2015-07-02付甜甜

电源技术 2015年3期

付甜甜

电动车以其环保节能而成为热点，但是制约其发展的一大软肋就是“里程焦虑”(range anxiety)，即续航里程短。目前丰田普锐斯、雪佛兰沃兰达、福特C-Max等主流电动车身都是搭载锂离子电池给电机提供电能。在纯电模式满电状态下，平均可以覆盖160km的续航里程。由于目前充电站数量还没达到加油站的规模，这个续航里程对于很多人来讲是不够用的。相反，如果硬要在当前锂电池技术基础上扩充容量，则会造成车载蓄电池体积过大过重。可见，当前锂电池容量和造价、体积以及质量是不可调和的矛盾。

IBM锂空气电池就是为了解决这一不可调和的矛盾而提出来的。早在 2009年，IBM就提出“Battery 500Project”(电池 500)计划，旨在研发出一种锂空气电池技术，在保持当前车载电池体积质量以及成本控制基础上，让电池一次充电能够维持车辆至少805km的续航里程，和当前电动车续航里程相比较，整整提高了五倍。“电池500”技术是一个可循环系统，采用普通空气作为化学试剂，充电时，可以把氧气重新释放到环境中，也因此IBM又称这款电池为“空气呼吸电池”。

IBM锂空气电池的结构如图所示，阳极为锂金属板，阴极为表面碳层，中间有两层电解质，其中靠近锂金属电板一侧的电解质负责接收由锂金属板释放的锂离子，而靠近碳层一侧的电解质则负责把接收到的锂离子更好地渗透至碳层。两种电解质中间有阻挡膜，用以阻止不同层面物质之间的相互渗透与污染。

在阳极(金属锂)一侧使用有机电解液，在阴极(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膜，将两者隔开。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。阳极用电解液组合使用的是含有锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒，但却限定了使用方法。阴极用水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。

在给车辆充电的时候，氧气和来自阳极的锂离子发生反应，生成氧化锂并储存电流。在电池放电的时候，氧化锂化合物分解为锂离子和氧气，锂离子经过电解质和电解质中间层渗透回阳极锂电板，氧气重新释放回大气层。两个过程都在阴极碳层内部发生。

在IBM锂-空气电池中，由于放电反应生成的并非是固体的Li2O，而是容易溶解在水性电解液中的LiOH(氢氧化锂)。氧化锂在空气电极堆积后，不会导致工作停止。水及氮等也不会穿过固体电解质的隔壁，因此不存在与阳极的锂金属发生反应的危险。而且，在充电时，如果配置充电专用的阳极，还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。

目前，动力电池大多采用锂离子电池，即用锂化合物来做正极(通常石墨做负极)，相比氢镍电池其能量密度更大，但伴随的问题是稳定性下降。一般来说，锂离子电池的比能量为100～250Wh/kg；而汽油的比能量，则达到了13000Wh/kg。锂-空气电池概念提出始于上个世纪70年代，该技术之所以如此受关注，就是因为它的理论能量密度达到了11680Wh/kg，几乎与汽油密度持平。经由IBM锂空气电池产生的比能量(单位：J/kg;表示单位质量电池所储存的电量)是普通锂电池(如日产Leaf身上搭载的那款)的10倍。不过在获得如此高的电量装载的同时，其稳定性也大有进步的空间。

IBM锂空气电池的呼吸不同寻常，既不像植物的光合作用消耗空气中的二氧化碳产生氧气，又不像人类的呼吸作用吸入氧气产生二氧化碳，它吸入的是氧气，但氧气在充电过程又再次放出，并且整个过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零污染的绿色过程。

IBM是锂空气电池技术研发的领导者，自2009年以来，IBM公司一直致力于“电池500”计划的研究，近年日本旭化成(AsahiKasei)及中央硝子(CentralGlass)2家公司也加入IBM“电池500”计划团队，共同合作开发锂空气电池。近期IBM锂空气电池样品有望问世，要实现商业化则需要5～10年的时间。锂空气电池也定会成为电动车电池的明日之星。

总体来看，锂空气电池目前还处在研发阶段，离实用化还有一段距离。目前全球已经有上千个研究单位在从事锂空气电池方面的研究。近期，MIT公司推进了锂-空气电池的催化剂的开发，美国科学家研制出了一种新式碳纤维锂空气电池，丰田公司也发力于锂空气电池，开始进入“后锂离子充电电池技术”时代。经过科研人员不懈的努力，期望在不久的将来这一会呼吸的绿色电池可以真正实现在电动汽车方面的应用，从而为人类的可持续发展做出贡献。