IBM研發(fā)7年之久的金屬空氣電池：可續(xù)航800公里

　　為什么要以800公里為目標(biāo)呢？因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值是大部分人對(duì)汽車?yán)m(xù)航里程的期望最高值，如果電動(dòng)車的續(xù)航里程不能達(dá)到800公里，并且成本能被大多數(shù)人接受，那么電動(dòng)車就少了普及的可能。

　　所以，我們將這個(gè)數(shù)值設(shè)定為我們Battery 500項(xiàng)目的目標(biāo)。這個(gè)項(xiàng)目從2009年就開始了，由阿爾馬登研究中心主導(dǎo)。此后，IBM與來自歐洲、亞洲以及美國的眾多商業(yè)伙伴、研究院共同進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

　　Battery 500項(xiàng)目基于金屬-空氣技術(shù)。相比于鋰電池，金屬-空氣電池能夠在單位質(zhì)量內(nèi)擁有更多的能量。項(xiàng)目研究至今，依然還需要幾年的時(shí)間才能夠商業(yè)化。但是通過這七年的實(shí)驗(yàn)來看，我們足以認(rèn)為：未來金屬-空氣電池在電動(dòng)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(gè)問題，先來看看鋰離子電池（即現(xiàn)在常見的鋰電池）與鋰空氣電池的區(qū)別。

　　下圖為鋰離子電池在充放電時(shí)電池內(nèi)部狀態(tài)示意。傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極是碳，而負(fù)極則是由不同的過渡金屬氧化物組成，比如鈷、鎳、錳等。兩個(gè)電極都浸泡在溶有鋰鹽的電解液中。在充放電時(shí)，鋰離子會(huì)從一個(gè)電極向另外一個(gè)電極移動(dòng)。移動(dòng)的方向根據(jù)根據(jù)電池狀態(tài)的不同，充電或者放電，而不同。在充放電時(shí)，鋰離子最終會(huì)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(zhì)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(fā)生的是電氣化學(xué)反應(yīng)。在放電過程中，含有鋰的正極釋放出鋰離子，鋰離子向負(fù)極移動(dòng)，并在負(fù)極表面與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成過氧化鋰（Li2O2）。

　　鋰離子、電子與氧氣是在多孔碳形成的負(fù)極表面產(chǎn)生反應(yīng)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)并非發(fā)生在負(fù)極上，最終容納鋰離子的并非是負(fù)極材料，因而電池的容量與負(fù)極材料的體積或質(zhì)量并沒有太大關(guān)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(zhì)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(zhì)量很小的電極也能夠儲(chǔ)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(dāng)然，除了能量密度之外，成本也是一個(gè)很重要的考慮因素。電池的售價(jià)目前在200-300美元/千瓦時(shí)，如果按每千瓦時(shí)能跑5-6公里計(jì)算的話，800公里需要一個(gè)150千瓦時(shí)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(chǎn)的話，每千瓦時(shí)的價(jià)格必須下降到100美元以下。

　　鋰-空氣電池商業(yè)化要解決哪些問題？

　　單純來看鋰與氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)時(shí)，理論上能夠產(chǎn)生的最大能量密度是3460Wh/kg。拋開電池單元中不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的那部分，最終能夠達(dá)到的能量密度數(shù)值也很讓人期待。當(dāng)然，同樣會(huì)遇到問題。

　　鋰 -空氣電池的充電過程與常規(guī)鋰離子電池類似，只要在外部加壓就可以實(shí)現(xiàn)。不同的是，鋰空氣電池中，當(dāng)有外部電壓時(shí)，過氧化鋰的結(jié)構(gòu)會(huì)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(tǒng)鋰電池一樣，充放電次數(shù)愈多，在電池內(nèi)部產(chǎn)生的副作用就越大。這些副作用就是影響其量產(chǎn)乃至商業(yè)化的根本所在。

　　為了了解這些副作用對(duì)電池帶來的影響，我們使用研究中心的電化學(xué)質(zhì)譜儀，去精確測量在每一次充放電循環(huán)中，消耗與產(chǎn)生的氣體量。結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：鋰-空氣電池在充電過程中釋放出的氧氣比放電時(shí)消耗的氧氣要少很多。（在試驗(yàn)中，大多使用干氧而不是空氣。）

　　△IBM研究中心的電化學(xué)質(zhì)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(zhì)量是相等的。但是研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)行了反應(yīng)，比如說融化到電解液之中，電池在發(fā)生內(nèi)部消耗。

　　在 IBM位于蘇黎世的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，我們進(jìn)行了新的試驗(yàn)，對(duì)這種自我破壞的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了跟蹤和計(jì)算機(jī)模擬。最后發(fā)現(xiàn)原因在于有機(jī)電解液上。然后我們針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)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(shí)，能夠釋放出放電時(shí)吸收的大部分氧氣。另外，我們也跟蹤了在充放電時(shí)氫氣與水的消耗與產(chǎn)生量，因?yàn)檫@兩種物質(zhì)的存在意味著在這個(gè)電池內(nèi)部很有可能還存在至少一種自我消耗的化學(xué)反應(yīng)。我們現(xiàn)在的電池單元已經(jīng)能夠達(dá)到200次充放電循環(huán)，雖然這是讓實(shí)際的充電過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論最大值。