续航神器：“呼吸式”电池

文·图/沈臻懿

新能源车发展的电池技术瓶颈

如今，街面上行驶的车辆中，有不少是配有绿色车牌的新能源车。伴随新能源车市场如火如荼地发展壮大，映入眼帘的是其承载的应对环境污染、改变传统能源结构等诸多期许。作为更适合地球能源结构的新能源车，它带动了全球汽车工业转型升级的新浪潮。

从新能源车的名称上即可看出，其是以非传统车用燃料作为动力来实现车辆的驱动。纵观当今汽车销售市场，多数新能源车均采用纯电动或以电动为主、其他方式为辅的动力提供模式，这也使得电池技术成了新能源车发展的一个关键点。

随着市场导入率和保有量的持续提升，新能源车的发展已进入关键期。与此同时，基于诸如电池性能、充电以及续航里程等方面的问题，部分消费者对入手新能源车仍处于观望状态。以某品牌的一款中大型SUV（运动型多功能车）为例，其传统燃油车的油耗测试数据为每百公里7.86升，油箱容积73升，加满一次油即可实现900公里以上的续航里程。而其近似款的纯电动车，纯电续航测试数据则在520公里至560公里之间。两者相比，差距明显，也折射出新能源车发展瓶颈。

不可否认，锂离子电池是迄今为止最为成功的一种充电电池，无论是充电抑或放电，它都需要依靠锂离子（Li+）在正负电极之间的嵌入与脱嵌以形成电流。为了实现化学能与电能之间的良好转化，锂离子电池的负极通常为石墨材料，正极则为锂的某一化合物。以当前较为流行的三元聚合物锂电池来说，正极材料中除了锂元素之外，还需要镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）三种金属元素来共同组成化合物镍钴锰酸锂。

镍、钴、锰的质量，要比金属锂大得多。这就导致为了携带1个单位正电荷的锂离子，需要在正极配备相对分子质量大上百余倍的化合物予以“收纳”。加之负极材料与其他结构所累加的总质量，直接限制了锂离子电池的能量密度（电量体积容量比）。这就是为什么携带了将近500公斤锂离子电池的纯电动汽车，续航里程数却远远比不上一台加了数十升汽油的传统燃油车。

从“锂离子电池”到“锂空气电池”

近年来，为了突破新能源车的续航瓶颈，研究人员试图对锂离子电池的能量密度予以优化。就三元聚合物锂电池而言，其比早先出现的磷酸铁锂电池拥有更高的能量密度以及更好的耐低温性能，有助于提升锂离子电池的续航能力。即便如此，当前锂离子电池的续航上升空间也极为有限。换言之，该技术已接近自身的“物理天花板”。造成这一瓶颈的根本原因在于锂离子电池存在理论上的储能极限。

令人感到欣喜的是，新能源汽车领域中，锂空气电池技术或许可以成为突破新能源车续航瓶颈问题的密钥。锂空气电池和锂离子电池的名称虽然较为相近，但两者属于完全不同的体系，其工作原理也大相径庭。简单来说，锂空气电池技术就是将锂与空气中的氧气反应所形成的能量，直接转化为电能。这一过程，就如同人类最为普遍的获取能源方式——将原料同氧气直接反应，进而获得高度能量的释放。

与锂离子电池技术需要依赖于锂的化合物和石墨来作为正负电极不同的是，理想状态下的锂空气电池完全不需要镍、钴、锰、铁、碳等相对原子质量较大的元素介入，只需要直接使用空气中的氧气和单质锂金属作为正负电极即可。电池放电时，从外界获取的氧气与电池中的锂单质发生化学反应生成过氧化锂，并在外电路中产生电流；充电时，则通过化学反应令过氧化锂分解为氧气和锂后，氧气重新释放回空气中。

鉴于锂是化学元素周期表中质量最轻的金属元素，电池正极则使用了重量几乎可忽略不计的空气，且电池工作中都无须质量较大的元素参与，这就使得锂空气电池的理论能量密度在电化学电池中拥有近乎王者一般的地位。单位质量下的锂空气电池所存储并释放的能量，远超出其他电化学储能介质。据研究测算，锂空气电池的理论能量密度可达每千克12千瓦时，相当于现有锂离子电池能量密度的十倍左右，甚至已接近于汽油能量的每千克13千瓦时。单从前述数据来分析，如果锂空气电池最终得以进入市场，就可一举打破锂离子电池因能量密度较低的短板而带来的续航里程瓶颈。未来纯电动汽车便可拥有与燃油汽车同级别的续航能力。

“呼吸式锂空气电池”的瓶颈突破与挑战

正如上文所述，理想状态下的这种“呼吸式锂空气电池”可以实现与传统燃油车相媲美的续航里程。然而，要想真正达成上述构想，并非一件容易之事。

我们知道，空气中除了氧气之外，还有大量的氮气以及二氧化碳、水蒸气等组分。锂空气电池的正极为空气，实则依赖于纯氧条件。若将这种“呼吸式锂空气电池”的工作环境限定在纯氧环境，就要同时配置诸如氧气瓶等存储装置。如此一来，锂空气电池原本的高能量密度又会因为额外负担的储氧设备而被大幅度削减。为了解决锂空气电池这一技术短板，研究人员尝试了各种办法来阻止锂空气电池在“呼吸”时所吸入的氮气、二氧化碳、水蒸气等化学物质参与的副反应。经研究测试，一项为金属锂电极增加防护层的技术受到了重点关注。具体来说，即在“呼吸式电池”的负极增加一层致密的保护涂层。其能够防止除锂离子以外的其他化学物质进入，以保护金属锂电极不会受到空气中氧气以外的其他组分干扰。此外，这层致密的保护涂层也不会和空气中的水蒸气等发生反应。换言之，防护层并不会参与“呼吸式电池”的化学反应，也不会遭到破坏。研究人员的测试数据显示，在这一防护层技术的介入下，锂空气电池经过700次的充电放电循环后，仍能正常工作。这一数据结果，甚至可与部分成熟的商用电池循环寿命相提并论。