鋰空氣電池有可能實(shí)現(xiàn)非常大的容量。我們希望兩家公司齊心協(xié)力，開發(fā)出全新的電池”。

2013年1月24日。在豐田與德國寶馬簽訂協(xié)議后，豐田代表董事副會(huì)長(zhǎng)內(nèi)山田竹志在緊急記者會(huì)上表明了決心。該協(xié)議意味著兩家公司正式就合作研發(fā)燃料電池車和跑車、輕量化技術(shù)，以及“后鋰離子充電電池技術(shù)”達(dá)成了共識(shí)。

什么是豐田所說的“革命性電池”？

聽到內(nèi)山田的決心，筆者的腦海中浮現(xiàn)出了一個(gè)人。那就是豐田電池研究的關(guān)鍵人物之一——射場(chǎng)英紀(jì)。射場(chǎng)在豐田設(shè)在靜岡縣裾野市的新一代電池開發(fā)基地“電池研究部”擔(dān)任部長(zhǎng)，是革命性充電電池研發(fā)的陣前指揮。

“為10年、20年后的未來開發(fā)革命性電池是我們的使命”。

采訪射場(chǎng)時(shí)他說的這句話給筆者留下了深刻印象。豐田大力研發(fā)的“革命性電池”，就是有著“后鋰離子充電電池”之稱的鋰空氣電池和全固體電池。在筆者2012年11月采訪的日本國內(nèi)最大的電池學(xué)會(huì)“第53屆電池討論會(huì)”上，豐田積極展示了多項(xiàng)鋰空氣電池和全固體電池的研究成果。

豐田的電池開發(fā)進(jìn)展如何？該公司及整個(gè)電池行業(yè)關(guān)注的最新技術(shù)是什么？為了幫助讀者解開這些謎團(tuán)，《日經(jīng)電子》策劃了“新一代電池開發(fā)最前線2013”（2013年2月28日，東京永田町）。該研討會(huì)預(yù)定包括8場(chǎng)演講，射場(chǎng)的演講將占據(jù)比較長(zhǎng)的時(shí)間。在90分鐘的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，射場(chǎng)將為大家娓娓道來“革命性電池”實(shí)現(xiàn)突破需要的技術(shù)要素。

不斷進(jìn)化的全固體電池

“最近，發(fā)現(xiàn)了鋰離子傳導(dǎo)率堪比有機(jī)電解液的物質(zhì)，所以期待進(jìn)一步提高……”

在2012年11月的電池討論會(huì)上，全固體電池相關(guān)的發(fā)表雖然為數(shù)不少，許多人的開場(chǎng)白都象上述那樣引人注目。令眾多電池研究人員密切關(guān)注的“鋰離子傳導(dǎo)率堪比有機(jī)電解液的物質(zhì)”是Li10Gep2S12，這是東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究科物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)教授菅野了次率領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)的一種硫化物類固體電解質(zhì)。在這種電解質(zhì)環(huán)境下，表示固體電解質(zhì)“鋰”擴(kuò)散速度高低的鋰離子傳導(dǎo)率在室溫（27℃）時(shí)達(dá)到了1.2×10-2S/cm。

“資源”和“安全”關(guān)注高漲

除了以提高容量為目標(biāo)的鋰空氣電池和全固體電池的開發(fā)日漸活躍外，最近，后鋰離子充電電池的另一個(gè)開發(fā)主題也逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。那就是“資源”和“安全”。

資源方面，前景看好的是不使用稀有金屬“鋰”的鈉離子充電電池。其特點(diǎn)是使用儲(chǔ)量豐富的鈉。站在鈉離子充電電池研發(fā)最前沿的東京理科大學(xué)理學(xué)部應(yīng)用化學(xué)科副教授駒場(chǎng)慎一自信地表示，“（鈉電池）隱藏著能夠大幅降低成本的潛力”。相關(guān)正極材料、負(fù)極材料和電解液的候選接二連三登場(chǎng)，目前已經(jīng)具備了在常溫下容量毫不遜色于鋰離子充電電池的實(shí)力。

波音787的電池事故

安全是與鋰離子充電電池開發(fā)形影不離的課題，由于美國波音公司的中型客機(jī)“波音787”電池事故連發(fā)，使得這個(gè)課題受到了更大的關(guān)注。

最近，日本國土交通省特種局把客機(jī)可以運(yùn)輸?shù)娘w機(jī)用鋰離子充電電池的重量從35kg下調(diào)到了與普通用途相同的5kg。這是針對(duì)國際民間特種組織（ICAO）因波音787的電池事故而修訂指針后采取的相應(yīng)措施，現(xiàn)如今，確保安全的難度確實(shí)有所增加。查明電池事故的原因估計(jì)還需要一段時(shí)間，但無論如何，在今后，電池安全對(duì)策技術(shù)無疑都將面對(duì)更加強(qiáng)烈的需求。

日本首都大學(xué)東京研究生院城市環(huán)境科學(xué)研究科分子應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域教授金村圣志開發(fā)出了遏制鋰金屬電池反復(fù)充放電時(shí)析出枝狀鋰金屬的技術(shù)。這是一種具有三維規(guī)則排列多孔構(gòu)造，能夠使鋰均勻析出為粒狀的隔膜“3DOM隔膜”，目標(biāo)是把安全且能量密度高達(dá)500Wh/kg的鋰金屬電池投入實(shí)用。在2月28日的研討會(huì)上，金村將擔(dān)任開場(chǎng)，率先登場(chǎng)發(fā)表演講。

什么是鋰空氣電池

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(yīng)物的電池。

放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因?yàn)槠潢帢O（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。理論上，由于氧氣作為陰極反應(yīng)物不受限，該電池的容量?jī)H取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg（包括氧氣質(zhì)量），或11.14kWh/kg（不包括氧氣）。相對(duì)與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能，因此，它非常有吸引力。

電池靠“呼吸”氧氣來充放電

電池靠“呼吸”氧氣來充放電，聽著都新鮮。2月19日，記者從中科院青能所獲悉，該所團(tuán)隊(duì)在“鋰空氣電池”研究方面取得突破，通過對(duì)催化劑的研究，大大提高了鋰跟空氣中氧氣結(jié)合和分解的效率，從而提高充放電效率，為其盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并有望成為未來電動(dòng)汽車的理想電源。

一次充電有望跑800公里

“對(duì)鋰空氣電池的研究應(yīng)用前景是非常廣闊的，”2月19日，中科院青能所仿生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)研究員崔光磊向記者介紹了他們的團(tuán)隊(duì)對(duì)于鋰空氣電池研究取得的新進(jìn)展。

鋰電池大家都很熟悉，那何為“鋰空氣電池”？據(jù)了解，鋰空氣電池是一種新型的金屬空氣電池，崔光磊說，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，高出現(xiàn)有電池體系1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是說單位質(zhì)量的電池放出的電量是其他電池的數(shù)十乃至上百倍。

據(jù)了解，未來電動(dòng)汽車對(duì)電源能量密度的要求為700Wh/kg，鋰空氣電池能完全滿足這一要求，它一次充電有望能行駛800公裡。

應(yīng)用前景廣闊，但是目前該項(xiàng)研究還沒有用到實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，“這跟造價(jià)各方面都有很大的關(guān)系，因?yàn)橐_(dá)到良好的效果目前最好的催化材料就是金、鉑等，這顯然成本太高了?！敝锌圃呵嗄芩律茉磁c儲(chǔ)能系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)在鋰空氣電池電極材料的研究中取得突破性進(jìn)展，他們研發(fā)出的新型電極材料可以很好地提高鋰空電池在深度放電時(shí)的循環(huán)能力，為這種極具吸引力的電源體系盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

電池靠“呼吸”氧氣充放電

我們都知道，電池都有正負(fù)極，那鋰空氣電池的正負(fù)極是什么呢？崔光磊說，鋰空氣電池的正負(fù)極就在其名稱中，金屬鋰是它的負(fù)極，而正極就是空氣中的氧氣。

“鋰空氣電池的工作塬理十分簡(jiǎn)單，放電過程氧分子與鋰離子結(jié)合形成過氧化鋰﹔而在隨后的充電過程中，過氧化鋰進(jìn)行可逆分解，產(chǎn)生氧氣。”這個(gè)過程像極了生物的“呼吸”過程：吸入氧氣，氧氣跟有機(jī)物化和成水和二氧化碳，釋放出能量，提供生物生命能量﹔而水和二氧化碳通過植物的光合作用生產(chǎn)儲(chǔ)存能量的有機(jī)物，釋放出氧氣。

崔光磊說，氧作為鋰空氣電池的正極好處太多了，因?yàn)檠踉诳諝庵袕V泛分布容易獲得，大大降低了電池的造價(jià)，并且對(duì)環(huán)境也沒有污染，這種電池的能量密度還很高，“這種技術(shù)投入商業(yè)化應(yīng)用，那么未來的電動(dòng)汽車將具備能與傳統(tǒng)的燃油汽車相媲美的續(xù)航能力?！?/p>

“多面手”催化劑能吞能吐

那電池的“呼吸”是怎樣完成的呢？這就不得不提到該團(tuán)隊(duì)的研究核心——催化劑。在該團(tuán)隊(duì)研究的鋰空氣電池示意圖中記者看到，這種電池分為叁層，鋰、電解質(zhì)、催化劑。氧氣就是在催化劑層進(jìn)入電池跟鋰離子反應(yīng)的，“電解質(zhì)的作用就是讓鋰離子能順利通過但是又不至于造成正負(fù)極的短路。”而能讓鋰和氧氣“聯(lián)姻”的關(guān)鍵，則是催化劑層。

據(jù)介紹，目前鋰空氣電池存在充放電能量轉(zhuǎn)化效率低、深度放電循環(huán)壽命短等兩個(gè)核心問題，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)這個(gè)問題出發(fā)尋找制約兩個(gè)問題的關(guān)鍵：催化劑材料?！拔覀冄芯堪l(fā)現(xiàn)，過渡金屬的氮化物的特性非常適合?！边@也成了研究的突破口，該團(tuán)隊(duì)通過將鈷元素引入氮化物材料，設(shè)計(jì)合成了具有雙效催化性能的鈷鉬氮叁元材料，“說它是雙效催化，也就是說類似于‘多面手’，它既可以催化放電，也可以催化充電，特性非常明顯?！?/p>

崔光磊說，他們將這種催化劑設(shè)計(jì)成為納米結(jié)構(gòu)，增加催化反應(yīng)的面積，形成高性能鋰空氣電池陰極，成功地降低了電池的充放電極化，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，大大提高了鋰空氣電池在深度放電時(shí)的循環(huán)壽命。一系列研究將鋰空氣電池的循環(huán)壽命提高70%。

有望助力替代汽車燃油

隨著化石類燃料價(jià)格的飛漲，通過高效的電源代替石油類產(chǎn)品，從而為機(jī)動(dòng)車輛提供動(dòng)力支持，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的迫切要求。鋰離子電池一直被視為電動(dòng)車最佳候選者。然而，基于鋰離子電池電動(dòng)汽車的續(xù)航能力仍然不能滿足人們的需求，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的汽車相比，鋰離子電池的能量密度仍然小于汽油燃燒的能量密度。而鋰空氣電池，作為鋰離子電池的理想替代者，蓄電能力比性能最好的鋰離子電池仍然高出10倍?！拔覀冞@個(gè)研究已經(jīng)持續(xù)了叁年多時(shí)間，難度最大的還是尋找這種材料。”崔光磊說，目前的結(jié)果也是他們多年奮斗的結(jié)果，意義重大。該項(xiàng)研究得到中科院、國家自然科學(xué)基金委、山東省杰青基金和青島市太陽能儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等攻關(guān)項(xiàng)目的支持，現(xiàn)已取得多項(xiàng)重要研究成果。

鋰離子電池與鋰空氣電池

鋰離子電池廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦等，它是以含鋰化合物為正極，碳素材料為負(fù)極，比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠(yuǎn)。普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的普及，能量密度需達(dá)到目前的約6～7倍。于是，理論上能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。

科學(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實(shí)驗(yàn)室都在研究這種技術(shù)，但如果沒有重大突破，要想實(shí)現(xiàn)商用可能還需要一定時(shí)間。