續航里程800公里,IBM發布空氣電池
為什么要以800公里為目標呢?因為這個數值是大部分人對汽車續航里程的期望最高值如果電動車的續航里程不能達到800公里并且成本能被大多數人接受那么電動車就少了普及的可能
所以我們將這個數值設定為我們Battery 500項目的目標這個項目從2009年就開始了由阿爾馬登研究中心主導此后IBM與來自歐洲亞洲以及美國的眾多商業伙伴研究院共同進行了這項研究
Battery 500項目基于金屬-空氣技術相比于鋰電池金屬-空氣電池能夠在單位質量內擁有更多的能量項目研究至今依然還需要幾年的時間才能夠商業化但是通過這七年的實驗來看我們足以認為未來金屬-空氣電池在電動車上確有用武之地
為什么叫金屬-空氣電池?
以鋰-空氣電池為例要搞清楚這個問題先來看看鋰離子電池（即現在常見的鋰電池）與鋰空氣電池的區別
下圖為鋰離子電池在充放電時電池內部狀態示意傳統鋰離子電池中正極是碳而負極則是由不同的過渡金屬氧化物組成比如鈷鎳錳等兩個電極都浸泡在溶有鋰鹽的電解液中在充放電時鋰離子會從一個電極向另外一個電極移動移動的方向根據根據電池狀態的不同充電或者放電而不同在充放電時鋰離子最終會嵌入到電極材料的原子層因而最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子即由電極的體積與質量決定
△鋰離子電池充放電過程示意
鋰-空氣電池有所不同在金屬-空氣電池中發生的是電氣化學反應在放電過程中含有鋰的正極釋放出鋰離子鋰離子向負極移動并在負極表面與氧氣發生反應形成過氧化鋰（Li2O2）
鋰離子電子與氧氣是在多孔碳形成的負極表面產生反應因為化學反應并非發生在負極上最終容納鋰離子的并非是負極材料因而電池的容量與負極材料的體積或質量并沒有太大關系只要有足夠大的表面積即可
也就是說鋰-空氣電池的容量并不是由電極的體積與質量決定而是電極的表面積這就是為什么在鋰空氣電池中質量很小的電極也能夠儲存大量的能量從而得到較高的能量密度
△鋰-空氣電池充放電過程示意
當然除了能量密度之外成本也是一個很重要的考慮因素電池的售價目前在200-300美元/千瓦時如果按每千瓦時能跑5-6公里計算的話800公里需要一個150千瓦時的電池就需要3萬-4.5萬美元而一輛寶馬2系的汽車也只需要3.3萬美元所以如果想要量產的話每千瓦時的價格必須下降到100美元以下
鋰-空氣電池商業化要解決哪些問題?
單純來看鋰與氧氣進行氧化還原反應時理論上能夠產生的最大能量密度是3460Wh/kg拋開電池單元中不進行化學反應的那部分最終能夠達到的能量密度數值也很讓人期待當然同樣會遇到問題
鋰-空氣電池的充電過程與常規鋰離子電池類似只要在外部加壓就可以實現不同的是鋰空氣電池中當有外部電壓時過氧化鋰的結構會破壞還原成氧氣與鋰離子鋰離子回到正極鋰-空氣電池與傳統鋰電池一樣充放電次數愈多在電池內部產生的副作用就越大這些副作用就是影響其量產乃至商業化的根本所在
為了了解這些副作用對電池帶來的影響我們使用研究中心的電化學質譜儀去精確測量在每一次充放電循環中消耗與產生的氣體量結果就發現了一個問題鋰-空氣電池在充電過程中釋放出的氧氣比放電時消耗的氧氣要少很多（在試驗中大多使用干氧而不是空氣）
△IBM研究中心的電化學質譜儀（來源IBM）
在理想的電池單元中在放電過程中消耗的氧氣與充電過程中釋放的氧氣質量是相等的但是研究發現氧氣的釋放量卻變少了這也就是意味著那些并沒有釋放的氧氣很有可能是與電池單元中的部件進行了反應比如說融化到電解液之中電池在發生內部消耗
在IBM位于蘇黎世的另外一個實驗室中我們進行了新的試驗對這種自我破壞的化學反應進行了跟蹤和計算機模擬最后發現原因在于有機電解液上然后我們針對這個問題進行了研究在最新的電池單元中使用了新的電解液之后充電時能夠釋放出放電時吸收的大部分氧氣另外我們也跟蹤了在充放電時氫氣與水的消耗與產生量因為這兩種物質的存在意味著在這個電池內部很有可能還存在至少一種自我消耗的化學反應我們現在的電池單元已經能夠達到200次充放電循環雖然這是讓實際的充電過程遠遠小于理論最大值 ｜
除了這個問題之外我們對于鋰-空氣電池的各個組件都有了一些關鍵性發現
1.正極
與傳統鋰離子電池中的由石墨制成的正極不同鋰-空氣電池中含有鋰的正極在充電過程中表面會發生一些變化長出一些類似于苔蘚或者樹狀結構稱之為樹突（Dendrite）這些樹突是十分危險的因為他們能夠在正負極之間形成導電回路從而產生短路現象
△鋰-空氣電池正極在數十循環之后表面產生樹突結構
為了減少樹突的產生我們使用了一種比較特殊的隔離膜這種隔離膜由一層包含很多納米級小孔的材料組成這些小孔足夠小并且在膜上均勻分布能夠允許鋰離子通過并且壓制樹突的產生因為這套隔離膜的存在正極能夠在幾百次充電循環之后表面仍然保持平滑而如果使用傳統的隔離膜幾次循環之后就會產生樹突如果使用一種含有導電離子的玻璃聚合物效果會更好一些
△鋰-空氣電池正極使用納米隔離膜之后表面保持平滑
2.電解液
目前使用的電解液依然會與氧氣或者充放電循環中產生的其他化合物發生反應從而被消耗截止到目前為止我們還沒有發現哪種溶劑能夠足夠穩定以便于讓鋰-空氣電池能夠進入到商業化的階段
3.陰極
在充電過程中鋰離子可能與負極發生反應會產生硝酸鋰硝酸鋰同樣會與電解液發生反應消耗電解液并產生二氧化碳我們在試驗中同樣跟蹤了硝酸鋰的產生量并采取了一些措施減少它的產生不過因為要求外加的充電電壓必須比電池的工作電壓要高出至少700mV以上過壓會降低電池的充電效率我們曾試過將碳換成其他一些金屬氧化物結果并沒有太大變化
4.催化劑
關于是否要在金屬空氣電池中使用催化劑贊成者與反對者已經展開了很多次的辯論使用催化劑能夠明顯減少過壓情況的出現但是同樣催化劑通常也會加速電解液的消耗在我們的理論研究中發生鋰的氧化和還原反應中活化能是很低的因而在鋰-空氣電池中催化劑并非必須
5.空氣的制備
雖然電池被叫做鋰空氣電池但是實際上我們使用的是干氧強調「干」是因為只需要去掉空氣中的水蒸氣與二氧化碳的成分即可而要在商業化的電池中大批量制備這樣的空氣那么就需要一套足夠輕便高效穩定的空氣凈化系統從這個角度考慮鋰-空氣電池的實際應用最早可能是在公交車卡車以及其他一些大型車上只有這些大型車才能夠容納空氣凈化設備
現在用于試驗的電池單元尺寸還很小直徑76mm長13mm遠遠不夠用在電動車的標準所以還需要做的一項很重要的工作就是如何制作更大尺寸的電池單元并將眾多電池單元打包封裝成一個電池組再配上一套電池管理系統我們也在測試一些不同的尺寸比如100×100mm的（100mm直徑100mm長）
目前這一項目依然停留在最初的關于材料和化學反應的基礎科學階段好在得到的研究結果是積極的在我們的研究中現在能夠達到的能量密度是鋰的氧化還原反應15KWh/kg（使用原碳陰極5700mAh×2.7V/g）到電池單元中的能量密度大概在800Wh/kg
鈉-空氣電池能量密度低但勝在穩定
金屬-空氣電池中能夠使用的金屬有很多除了鋰之外還有鈉和鉀等這些金屬的逆向反應更加容易而相對來說更重一些的金屬比如鎂鋁鋅鐵等已經被證實很難實現再度充電所以Battery 500項目最終選擇了研究鋰和鈉兩種金屬
鈉-空氣電池是另外一種很有意思的組合雖然相比于鋰-空氣電池來說可能達到的能量密度更低但是它的好處在于更加穩定
之所以能量密度較低是在于產生的化學反應不同前面提到在鋰-空氣電池中鋰與氧氣發生反應產生的是過氧化鋰（Li2O2）但是鈉-空氣電池中鈉與氧氣反應只使用了一個電子產生的是超氧化鈉NaO2而不是過氧化鈉Na2O2相比較而言鈉-空氣電池能夠產生的能量密度從理論上來說就減少了一半理論的能量密度上限是1100wh/kg
但從另外一個方面來說鈉-空氣電池的充電效率要比鋰-空氣電池更高過壓相當低還不到20mV（鋰為700mV）有鑒于此能夠將電池單元的工作電壓降低到3V這樣電池內部其他組件的自我消耗能夠降低很多比如說電解液我們通過實驗對其進行了測量并得到了驗證這樣的好處在于電池的穩定性相當高在50次充放電循環之后電池的容量幾乎沒有改變
鈉-空氣電池的商用同樣存在一些挑戰比如鈉-空氣電池在發生反應時消耗掉的氧氣是鋰-空氣電池中的兩倍相當于能夠產生同樣功率的活塞發動機所需要的空氣量另外鈉金屬的化學活性相當高想必很多人都記得在高中課堂上化學老師做的演示一小塊鈉扔進水里就會發生劇烈的化學反應
不過鋰是一種稀有金屬而且并不便宜但是鈉卻是常見金屬成本極低相同尺寸的鈉-空氣電池中材料的成本還不到鋰-空氣電池中的十分之一雖然從長遠角度考慮鋰-空氣電池將會有更好的性能但是綜合考慮穩定性與成本比能量同樣不低的鈉-空氣電池將會是從現在的電池到未來的更好選擇
