解析新型锂空气电池技术

我们有必要先来了解一下电池技术的重要性，也许许多读者会这样认为，“一颗小小的电池算得了什么，没有必要去研究吧?”其实不然，电力一直都是我们生活中最重要的能源之一，而电池就是产生或存储它的一个重要的方式。IBM成立了一个Almaden实验室，它与龙头企业、研究所等机构合作开展研究锂和氧元素结合材料的电池技术。在此之前，笔记本电脑和手机电池的技术突破是在美国完成的，而现在，日本和韩国已经成为了电池技术的主导国家，IBM希望让电池技术的领导权由亚洲转向美国。

就如同美国依赖中东的石油一样，在汽车行业从传统的汽油动力汽车转向绿色的电动汽车发展之后，这个汽车大国并不想依赖于亚洲的汽车电池。因此美国企业担心会错失这个历史上最重要的技术变革机会以及其带来的市场。除了IBM，在过去5年，通用电气也投入1.5亿美元资助了新型电池的开发。就连芯片巨头Intel也欲投入电池的生产，Intel前CEO Andy Grove说道：“我们在上世纪70年代失去了电池技术的控制权。电池技术将决定未来，如果我们不迅速行动，我们将被韩国和日本甩在身后。”

由于众多企业的重视和研发，现有的电池技术不少，主流的就是锂离子电池，相信随意打开手机、数码相机、笔记本，我们都可以看到其中的锂电池，现有的电动汽车也多配备了锂离子电池。电池性能一般以单位重量的能来表示，锂离子电池在放电时的能为镍氢(Ni-MH)电池的两倍左右。但是，锂离子电池存在严重的局限性，就像笔记本出现过的着火事故一样，一旦锂离子电池存在内部短路就会导致过热、燃烧甚至爆炸等安全性问题。而且锂离子电池在寿命以及大能成本方面也存在难题。IBM的研究人员认为，锂元素结合氧气才是最有前途的电池技术，因为它能够提供相当于锂离子电池10倍的能。

使用新型电池的笔记本

电力为何凭空而来

1.不断进步的电池技术

一般手机或笔记本电脑中的普通锂电池，是由有机电解质的石墨(负电极)和锂氧化钴(正电极)组成。在充电时，锂离子离开正电极，而充电后，随着锂电池的放电使用，锂离子(Li+)渐渐回到正电极。电子(e-)在外部电路中流动，从而产生电能。要提高锂离子电池能和性能的一个主要因素是，嵌入电极的材料设计和合成以及其优化生产，其他因素包括电解质作用、隔层和电池设计与组装等。锂空气电池就是在正极上使用空气中的氧作为活性物质，因此理论上正极的能是无限的，可加大能。而负极使用了金属锂，理论能会比锂离子电池更高。

不过，最早研发出的锂空气电池没有普及的原因在于其存在着致命的缺陷，通过化学反应，在正极会堆积固体反应生成物——氧化锂(Li2O)，它将使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。于是日本产业技术综合研究所发布了新的锂空气电池设计，只在金属锂的负极使用有机电解液，而在正极的空气一侧使用水性电解液，在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质隔膜，将两者隔开，这样便可防止电解液混合，并促进电池发生高效反应。

2.空气化学反应发电

新的锂空气电池在放电时，负极的金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于含有锂盐的有机电解液，并将带负电的电子(e-)供应给导线。溶解的锂离子穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。正极通过导线得到电子，空气中的氧气(O2)和水(H2O)在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水性电解液中与锂离子结合生成易溶于水性电解液的氢氧化锂(LiOH)。由于不是固体氧化锂，这样就不会引起空气正极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。

电极反应表：

在充电时，负极通过电源导线得到电子，锂离子(Li+)由正极的水性电解液穿过中间的固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。正极反应生成氧，产生的电子供应给导线。此外，正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合，因此相比以前使用锂氧化钴正极的成本更低。而且锂空气电池还配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。

3.优势高达100倍

新型锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率进行放电时，放电能约为9000mAh/g。以前的锂空气电池的放电能仅为700～3000mAh/g，可以说实现了能的大幅增加。另外，充电能也达到约9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中连续放电20天，其放电能约为50000mAh/g，比原来约高10倍。由于锂空气电池的能量原本就比锂离子电池约高10倍，因此使用新技术后共比锂