電池容量有望沖破，豐田發力鋰空氣電池

鋰空氣電池有可能實現非常大的容量。我們希望兩家公司齊心協力，開發出全新的電池”。

2013年1月24日。在豐田與德國寶馬簽訂協議后，豐田代表董事副會長內山田竹志在緊急記者會上聲明了決心。該協議意味著兩家公司正式就合作研發燃料電池車和跑車、輕量化技術，以及“后鋰離子充電電池技術”達成了共識。

什么是豐田所說的“革命性電池”？

聽到內山田的決心，筆者的腦海中浮現出了一個人。那就是豐田電池研究的關鍵人物之一——射場英紀。射場在豐田設在靜岡縣裾野市的新一代電池開發基地“電池研究部”擔任部長，是革命性充電電池研發的陣前指導。

“為10年、20年后的將來開發革命性電池是我們的使命”。

采訪射場時他說的這句話給筆者留下了深刻印象。豐田大力研發的“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月采訪的日本國內最大的電池學會“第53屆電池討論會”上，豐田積極展示了多項鋰空氣電池和全固體電池的研究成果。

豐田的電池開發進展要怎么樣？該公司及整個電池行業關注的最新技術有哪些？為了幫助讀者解開這些謎團，《日經電子》策劃了“新一代電池開發最前線2013”（2013年2月28日，東京永田町）。該研討會預定包括8場演講，射場的演講將占據比較長的時間。在90分鐘的時長內，射場將為大家娓娓道來“革命性電池”實現沖破需要的技術要素。

不斷進化的全固體電池

“最近，發現了鋰離子傳導率堪比有機電解液的物質，所以期望進一步提高……”

在2012年11月的電池討論會上，全固體電池相關的發表雖然為數不少，許多人的開場白都象上述那樣引人注目。令眾多電池研究人員密切關注的“鋰離子傳導率堪比有機電解液的物質”是Li10Gep2S12，這是東京工業大學研究生院綜合理工學研究科物質電子化學專業教授菅野了次帶領的研究小組發現的一種硫化物類固體電解質。在這種電解質環境下，表示固體電解質“鋰”擴散速度高低的鋰離子傳導率在室溫（27℃）時達到了1.2×10-2S/cm。

“資源”和“安全”關注高漲

除了以提高容量為目標的鋰空氣電池和全固體電池的開發日漸活躍外，最近，后鋰離子充電電池的另一個開發主題也逐漸成為關注的焦點。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。其特點是使用儲量豐富的鈉。站在鈉離子充電電池研發最前沿的東京理科大學理學部使用化學科副教授駒場慎一自信地表示，“（鈉電池）隱藏著能夠大幅降低成本的潛力”。相關正極材料、負極材料和電解液的候選接二連三登場，目前已經具備了在常溫下容量毫不遜色于鋰離子充電電池的實力。

波音787的電池事故

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

最近，日本國土交通省航空局把客機可以運輸的飛機用鋰離子充電電池的重量從35kg下調到了與一般用途相同的5kg。這是針對國際民間航空組織（ICAO）因波音787的電池事故而修訂指針后采取的相應措施，現如今，確保安全的難度實在有所增加。查明電池事故的原由估計還需要一段時間，但無論要怎么樣，在今后，電池安全對策技術無疑都將面對更增強烈的需求。

日本首都大學東京研究生院城市環境科學研究科分子使用化學范疇教授金村圣志開發出了遏制鋰金屬電池反復充放電時析出枝狀鋰金屬的技術。這是一種具有三維規矩排列多孔構造，能夠使鋰平均析出為粒狀的隔膜“3DOM隔膜”，目標是把安全且能量密度高達500Wh/kg的鋰金屬電池投入實用。在2月28日的研討會上，金村將擔任開場，率先登場發表演講。

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+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（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。

鋰空氣電池比鋰電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環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物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg（包括氧氣質量），或11.14kWh/kg（不包括氧氣）。相對與其他的金屬-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，聽著都清新。2月19日，記者從中科院青能所獲悉，該所團隊在“鋰空氣電池”研究方面取得沖破，通過對催化劑的研究，大大提高了鋰跟空氣中氧氣結合和分析的效率，從而提高充放電效率，為其盡快實現商業化使用奠定基礎，并有望成為將來電動車的理想電源。

一次充電有望跑800公里

“對鋰空氣電池的研究使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能系統團隊研究員崔光磊向記者解析了他們的團隊對于鋰空氣電池研究取得的新進展。

鋰離子電池大家都很熟悉，那何為“鋰空氣電池”？據知道，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，高出現有電池體系1到2個數量級，也就是說單位質量的電池放出的電量是其他電池的數十乃至上百倍。

據知道，將來電動車對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。

使用前景廣闊，但是目前該項研究還沒有用到實際運用當中，“這跟造價各方面都有很大的關系，因為要達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。”中科院青能所仿生能源與儲能系統團隊在鋰空氣電池電極材料的研究中取得沖破性進展，他們研發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的循環能力，為這種極具吸引力的電源體系盡快實現商業化使用奠定了基礎。

電池靠“呼吸”氧氣充放電

我們都了解，電池都有正負極，那鋰空氣電池的正負極有哪些呢？崔光磊說，鋰空氣電池的正負極就在其名稱中，金屬鋰是它的負極，而正極就是空氣中的氧氣。

“鋰空氣電池的工作塬理十分簡單，放電過程氧分子與鋰離子結合形成過氧化鋰﹔而在隨后的充電過程中，過氧化鋰進行可逆分析，萌生氧氣。”這個過程像極了生物的“呼吸”過程：吸入氧氣，氧氣跟有機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加工儲存能量的有機物，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，因為氧在空氣中廣泛分布容易獲得，大大降低了電池的造價，并且對環境也沒有污染，這種電池的能量密度還很高，“這種技術投入商業化使用，那么將來的電動車將具備能與傳統的燃油汽車相媲美的續航能力。”

“多面手”催化劑能吞能吐

那電池的“呼吸”是怎么樣完成的呢？這就不得不提到該團隊的研究核心——催化劑。在該團隊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、催化劑。氧氣就是在催化劑層進入電池跟鋰離子反應的，“電解質的作用就是讓鋰離子能順利通過但是又不至于造成正負極的短路。”而能讓鋰和氧氣“聯姻”的關鍵，則是催化劑層。

據解析，目前鋰空氣電池存在充放電能量轉化效率低、深度放電循環壽命短等兩個核心問題，該團隊針對這個問題出發尋找制約兩個問題的關鍵：催化劑材料。“我們研究發現，過渡金屬的氮化物的特性非常適合。”這也成了研究的沖破口，該團隊通過將鈷元素引入氮化物材料，設計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，特性非常分明。”

崔光磊說，他們將這種催化劑設計成為納米結構，增加催化反應的面積，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，提高了能量轉化效率，大大提高了鋰空氣電池在深度放電時的循環壽命。一系列研究將鋰空氣電池的循環壽命提高70%。

有望助力替代汽車燃油

隨著化石類燃料價格的飛漲，通過高效的電源代替石油類產品，從而為機動車輛提供動力支持，已經成為現代社會發展的急切要求。鋰電池一直被視為電動車最佳候選者。然而，基于鋰電池電動車的續航能力依然不能滿足人們的需求，這是因為與傳統的汽車相比，鋰電池的能量密度依然小于汽油燃燒的能量密度。而鋰空氣電池，作為鋰電池的理想替代者，蓄電能力比性能最好的鋰電池依然高出10倍。“我們這個研究已經繼續了叁年多時間，難度最大的還是尋找這種材料。”崔光磊說，目前的結果也是他們多年奮斗的結果，意義重大。該項研究得到中科院、國家自然科學基金委、山東省杰青基金和青島市太陽能儲能技術重點試驗室等攻關項目的支持，現已取得多項緊要研究成果。

鋰電池與鋰空氣電池

鋰電池廣泛用于手機和筆記本電腦等，它是以含鋰化合物為正極，碳素材料為負極，比其它汽車電池的密度更高、電量更充分，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠。普遍認為，要實現電動車的普及，能量密度需達到目前的約6～7倍。于是，理論上能量密度遠遠大于鋰電池的金屬鋰空氣電池備受關注。

科學家認為，鋰空氣電池的性能是鋰電池的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。全球不少試驗室都在研究這種技術，但如果沒有重大沖破，要想實現商用可能還需要一定時間。

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