會“呼吸”的精靈——IBM鋰空氣電池

付甜甜

電動車以其環保節能而成為熱點，但是制約其發展的一大軟肋就是“里程焦慮”(range anxiety)，即續航里程短。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下，平均可以覆蓋160km的續航里程。由于目前充電站數量還沒達到加油站的規模，這個續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。可見，當前鋰電池容量和造價、體積以及質量是不可調和的矛盾。

IBM鋰空氣電池就是為了解決這一不可調和的矛盾而提出來的。早在 2009年，IBM就提出“Battery 500Project”(電池 500)計劃，旨在研發出一種鋰空氣電池技術，在保持當前車載電池體積質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的續航里程，和當前電動車續航里程相比較，整整提高了五倍。“電池500”技術是一個可循環系統，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，其中靠近鋰金屬電板一側的電解質負責接收由鋰金屬板釋放的鋰離子，而靠近碳層一側的電解質則負責把接收到的鋰離子更好地滲透至碳層。兩種電解質中間有阻擋膜，用以阻止不同層面物質之間的相互滲透與污染。

在陽極(金屬鋰)一側使用有機電解液，在陰極(空氣)一側使用水性電解液。在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的固體電解質膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生反應。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，鋰離子經過電解質和電解質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部發生。

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的隔壁，因此不存在與陽極的鋰金屬發生反應的危險。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。經由IBM鋰空氣電池產生的比能量(單位：J/kg;表示單位質量電池所儲存的電量)是普通鋰電池(如日產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生氧氣，又不像人類的呼吸作用吸入氧氣產生二氧化碳，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生對環境有害的物質，完全是零污染的綠色過程。

IBM是鋰空氣電池技術研發的領導者，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，共同合作開發鋰空氣電池。近期IBM鋰空氣電池樣品有望問世，要實現商業化則需要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階段，離實用化還有一段距離。目前全球已經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，美國科學家研制出了一種新式碳纖維鋰空氣電池，豐田公司也發力于鋰空氣電池，開始進入“后鋰離子充電電池技術”時代。經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在電動汽車方面的應用，從而為人類的可持續發展做出貢獻。

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，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質的一種原電池。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，分別是質子惰性的、液態、固態以及混合型的。

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、穩定可靠的電源，是一款對環境十分友好的電池，具有比能量大、質量輕、無毒無危險的特點。