金屬空氣電池發展簡析

近年，作為一種新型電池，以鋰空氣電池為代表的金屬空氣電池(以下，在不引起雜亂的前提下，簡稱為空氣電池)，越來越多地獲得研發人員和市場相關者的矚目。

其原由在于：如果這種電池能過研發成功，將大幅度提高車載電池的性能，使電動車的續航能力達到或超過現有汽油、柴油發動機車的水準。

如果空氣電池的研究能夠取得沖破，在與內燃機動力車以及燃料電池車的續航歷程競爭中，目前處于劣勢的電動車將會脫穎而出。而空氣電池將會取代目前主流的鋰電池，一舉登上霸主地位。

本文將對目前車載蓄電池的問題，以及空氣電池的發展作一概述。

1.鋰電池的問題

1.1鋰電池所帶來的不安

在波音公司新型大型客機Boeing787多次發生與蓄電池相關的事故后，世界各國對鋰電池的安全性更加重視。

常常乘飛機的人可能會發現：往日在辦理登機手續和進行安檢時，要求乘客放在托運行李中的電腦、充電寶、游戲機等電器產品，今朝被要求放在手提行李中了。

也許沒有多少人能留意到：這些電器產品中有很多都是使用鋰電池的。

雖然對此沒有哪家航空公司給出明確的說法，但原由恐怕有以下兩方面：一方面，放在托運行李中可能會因碰撞而發生燃燒；另一方面，認為鋰電池有著火的可能，而將其放在目所能及之處，以便能夠及時對應這種思路恐怕是原由之一。不管有哪些原由，鋰電池容易起火燃燒已經成為人們的共識。

在信息泛濫的現代社會，小到手機在充電、使用中著火，大到飛機因電池原由而停飛。與鋰電池的可靠性相關的資訊源源不斷。

在一定程度上這些信息聲明：目前的鋰電池技術已經走入了某種技術上的瓶頸，需要人們重新考慮鋰電池的定位問題。

1.2鋰電池問題的根源

大家了解：和往日在家庭中廣泛使用的鎳鎘、鎳氫電池以及在交通工具中使用的鉛酸蓄電池相比，鋰電池具有很多的優點。

最大的優點，就是鋰電池的單位能量密度很高。鋰電池的標稱電壓(NominalVoltage)為3.6伏特，同時體積小、重量輕，非常適用于對于重量較為敏感的電動車。

與上述優勢相對的，是鋰電池同樣是一種不安定的能量載體。

如果鋰電池處于空電狀態(即電池中電量接近零的狀態)時，電池的正負極分別是鈷酸鋰(LiCoO2)和石墨。這兩種物質相當穩定，所以電池一般不容易出現燃燒和爆炸現象。

而當鋰電池處于洋溢電的狀態時，其陽極材料成分主要是脫鋰狀態的鈷酸鋰(Li0.5CoO2)，陰極材料成分是嵌鋰碳(LiC6)。鈷酸鋰在高溫下會發生分析反應釋放氧氣，而嵌鋰碳的化學反應活性基本上與金屬鋰相似。所以如果電池發生故障，萌生高溫并燃燒，那基本上就相當于金屬鋰在富氧環境中燃燒一樣了！

除鋰電池的電極材料本身不安定之外，鋰電池所使用的電解液，也是造成電池發生著火事故的元兇。

目前人類在日常生活中所接觸到的化合物液體，從種類上分惟有兩種：一種是無機化合物的水溶液，比如酸、堿、鹽等的溶液；另一種是液體有機物，如苯、烷、乙醇等。由于水的理論分析電壓僅為1.23V，所以以水溶液為電解液體系的蓄電池最高電壓只能達到2.0V左右。因此，在選擇電池的電解液時，為保證鋰電池具有足夠高的輸出電壓，在電池中使用的電解液多為分析電壓較高的有機溶液。

但是，很多的有機電解液氣其蒸汽壓較低，當電池升溫到一定程度就會揮發。如果揮發出的氣體具有燃燒性質，則很容易起火。

鋰電池受陽極和陰極材料的限制，充放電容量有限。所以如欲增加電池容量，非得將復數個電池包合在一起使用。由此而帶來的問題，就是電池整體重量過大、個別電池的性能差異會影響到整個電池包的性能。

所以，不論是從安全性的角度出發，還是為了戒備因過度充放電而帶來的鋰離電池的性能劣化，都需要在電池包中設置對每個電池單元進行電壓和溫度狀態監視的機制。同時，考慮到監視系統本身也有可能出現故障，還需要有測試該系統工作狀態的獨立系統。這樣自然就造成了鋰電池高價格狀態。

另外，從地殼的豐度看，鋰屬于稀有金屬。目前在國際上惟有包括我國在內的有限的幾個國家能夠生產。所以對很多國家來說，從資源戰略的角度看，金屬鋰并不是一種理想的物質。

綜上所述，作為目前車載電池主流的鋰電池，在經過廣泛地使用后，特別是在與其他動力形式的競爭中，逐漸地顯現出其技術上和原理上的限界。電池行業非得要有化學體系的重大沖破，或者在電池構造方面另辟蹊徑，才能滿足整個社會不斷增長的對大容量電池的需求。在這種狀況下，空氣電池這種具有神奇構造的能量載體再次進入研究人員的視野。

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