續航神器：“呼吸式”電池

文·圖/沈臻懿

新能源車發展的電池技術瓶頸

如今，街面上行駛的車輛中，有不少是配有綠色車牌的新能源車。伴隨新能源車市場如火如荼地發展壯大，映入眼簾的是其承載的應對環境污染、改變傳統能源結構等諸多期許。作為更適合地球能源結構的新能源車，它帶動了全球汽車工業轉型升級的新浪潮。

從新能源車的名稱上即可看出，其是以非傳統車用燃料作為動力來實現車輛的驅動。縱觀當今汽車銷售市場，多數新能源車均采用純電動或以電動為主、其他方式為輔的動力提供模式，這也使得電池技術成了新能源車發展的一個關鍵點。

隨著市場導入率和保有量的持續提升，新能源車的發展已進入關鍵期。與此同時，基于諸如電池性能、充電以及續航里程等方面的問題，部分消費者對入手新能源車仍處于觀望狀態。以某品牌的一款中大型SUV（運動型多功能車）為例，其傳統燃油車的油耗測試數據為每百公里7.86升，油箱容積73升，加滿一次油即可實現900公里以上的續航里程。而其近似款的純電動車，純電續航測試數據則在520公里至560公里之間。兩者相比，差距明顯，也折射出新能源車發展瓶頸。

不可否認，鋰離子電池是迄今為止最為成功的一種充電電池，無論是充電抑或放電，它都需要依靠鋰離子（Li+）在正負電極之間的嵌入與脫嵌以形成電流。為了實現化學能與電能之間的良好轉化，鋰離子電池的負極通常為石墨材料，正極則為鋰的某一化合物。以當前較為流行的三元聚合物鋰電池來說，正極材料中除了鋰元素之外，還需要鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）三種金屬元素來共同組成化合物鎳鈷錳酸鋰。

鎳、鈷、錳的質量，要比金屬鋰大得多。這就導致為了攜帶1個單位正電荷的鋰離子，需要在正極配備相對分子質量大上百余倍的化合物予以“收納”。加之負極材料與其他結構所累加的總質量，直接限制了鋰離子電池的能量密度（電量體積容量比）。這就是為什么攜帶了將近500公斤鋰離子電池的純電動汽車，續航里程數卻遠遠比不上一臺加了數十升汽油的傳統燃油車。

從“鋰離子電池”到“鋰空氣電池”

近年來，為了突破新能源車的續航瓶頸，研究人員試圖對鋰離子電池的能量密度予以優化。就三元聚合物鋰電池而言，其比早先出現的磷酸鐵鋰電池擁有更高的能量密度以及更好的耐低溫性能，有助于提升鋰離子電池的續航能力。即便如此，當前鋰離子電池的續航上升空間也極為有限。換言之，該技術已接近自身的“物理天花板”。造成這一瓶頸的根本原因在于鋰離子電池存在理論上的儲能極限。

令人感到欣喜的是，新能源汽車領域中，鋰空氣電池技術或許可以成為突破新能源車續航瓶頸問題的密鑰。鋰空氣電池和鋰離子電池的名稱雖然較為相近，但兩者屬于完全不同的體系，其工作原理也大相徑庭。簡單來說，鋰空氣電池技術就是將鋰與空氣中的氧氣反應所形成的能量，直接轉化為電能。這一過程，就如同人類最為普遍的獲取能源方式——將原料同氧氣直接反應，進而獲得高度能量的釋放。

與鋰離子電池技術需要依賴于鋰的化合物和石墨來作為正負電極不同的是，理想狀態下的鋰空氣電池完全不需要鎳、鈷、錳、鐵、碳等相對原子質量較大的元素介入，只需要直接使用空氣中的氧氣和單質鋰金屬作為正負電極即可。電池放電時，從外界獲取的氧氣與電池中的鋰單質發生化學反應生成過氧化鋰，并在外電路中產生電流；充電時，則通過化學反應令過氧化鋰分解為氧氣和鋰后，氧氣重新釋放回空氣中。

鑒于鋰是化學元素周期表中質量最輕的金屬元素，電池正極則使用了重量幾乎可忽略不計的空氣，且電池工作中都無須質量較大的元素參與，這就使得鋰空氣電池的理論能量密度在電化學電池中擁有近乎王者一般的地位。單位質量下的鋰空氣電池所存儲并釋放的能量，遠超出其他電化學儲能介質。據研究測算，鋰空氣電池的理論能量密度可達每千克12千瓦時，相當于現有鋰離子電池能量密度的十倍左右，甚至已接近于汽油能量的每千克13千瓦時。單從前述數據來分析，如果鋰空氣電池最終得以進入市場，就可一舉打破鋰離子電池因能量密度較低的短板而帶來的續航里程瓶頸。未來純電動汽車便可擁有與燃油汽車同級別的續航能力。

“呼吸式鋰空氣電池”的瓶頸突破與挑戰

正如上文所述，理想狀態下的這種“呼吸式鋰空氣電池”可以實現與傳統燃油車相媲美的續航里程。然而，要想真正達成上述構想，并非一件容易之事。

我們知道，空氣中除了氧氣之外，還有大量的氮氣以及二氧化碳、水蒸氣等組分。鋰空氣電池的正極為空氣，實則依賴于純氧條件。若將這種“呼吸式鋰空氣電池”的工作環境限定在純氧環境，就要同時配置諸如氧氣瓶等存儲裝置。如此一來，鋰空氣電池原本的高能量密度又會因為額外負擔的儲氧設備而被大幅度削減。為了解決鋰空氣電池這一技術短板，研究人員嘗試了各種辦法來阻止鋰空氣電池在“呼吸”時所吸入的氮氣、二氧化碳、水蒸氣等化學物質參與的副反應。經研究測試，一項為金屬鋰電極增加防護層的技術受到了重點關注。具體來說，即在“呼吸式電池”的負極增加一層致密的保護涂層。其能夠防止除鋰離子以外的其他化學物質進入，以保護金屬鋰電極不會受到空氣中氧氣以外的其他組分干擾。此外，這層致密的保護涂層也不會和空氣中的水蒸氣等發生反應。換言之，防護層并不會參與“呼吸式電池”的化學反應，也不會遭到破壞。研究人員的測試數據顯示，在這一防護層技術的介入下，鋰空氣電池經過700次的充電放電循環后，仍能正常工作。這一數據結果，甚至可與部分成熟的商用電池循環壽命相提并論。