東京大學(xué)研究生院水野哲孝教授的研究小組與日本觸媒公司共同開發(fā)出了采用新原理的二次電池，在正極利用氧化物離子與過氧化物離子之間的氧化還原反應(yīng)。該研究小組查明，在正極利用在Li2O（氧化鋰）晶體內(nèi)添加Co（鈷）形成的物質(zhì)時，充放電反應(yīng)中就會有過氧化物生成和消失，由此實(shí)現(xiàn)了新原理的電池系統(tǒng)。這種電池的能源密度達(dá)到了現(xiàn)行鋰離子二次電池的7倍，而且還可增加容量，降低價格，提高安全性。有望作為EV（純電動汽車）用途及固定蓄電用途的新一代二次電池。

通常鋰離子二次電池在正極使用的是LiCoO2（鋰鈷氧化物）等容易產(chǎn)生鋰離子嵌入/脫離的過渡金屬氧化物。由于是由分子量較大的過渡金屬來擔(dān)負(fù)氧化還原作用的，所以單位重量的能量密度及容量無法太大。而且鋰的價格也很高，因此還存在減少鋰的使用量以降低成本的要求。

而此次的新一代二次電池研究的是在正極利用O2（氧氣）分子的氧化還原反應(yīng)的鋰空氣電池，理論上可實(shí)現(xiàn)最大的能量密度。但這種電池也存在諸多問題，比如放電反應(yīng)產(chǎn)生的Li2O2（過氧化鋰）等會導(dǎo)致正極阻塞；由于是開放結(jié)構(gòu)，因此空氣中的水分及CO2（二氧化碳）容易混入，造成電極和電解液劣化；反應(yīng)中生成的活性氧類物質(zhì)會導(dǎo)致有機(jī)電解液不穩(wěn)定，等等。因此，一直未能真正投入實(shí)用。

此次東大和日本觸媒開發(fā)的電池在正極利用Li2O與Li2O2之間的氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極利用金屬鋰的氧化還原反應(yīng)，兩電極活性物質(zhì)的單位重量的理論容量為897mAh/g，電壓為2.87V，理論能量密度為2570Wh/kg。按兩電極活性物質(zhì)的單位重量計算，能量密度達(dá)到370Wh/kg，與使用LiCoO2正極和石墨負(fù)極的現(xiàn)行鋰離子二次電池相比，約為后者的7倍。這種新型電池的理論能量密度雖然不及鋰空氣電池的3460Wh/kg，但與目前的鋰離子二次電池一樣采用密閉結(jié)構(gòu)，因此可靠性及安全性出色。

此次，研究小組使用行星式球磨機(jī)在Li2O晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)添加了鈷，將其用作正極活性物質(zhì)。經(jīng)證實(shí)，使用這種正極可實(shí)現(xiàn)氧化物與過氧化物間的氧化還原反應(yīng)可逆的電池系統(tǒng)。同時還實(shí)施了過氧化物的定量分析，確認(rèn)充電反應(yīng)時正極中有過氧化物生成，放電反應(yīng)時正極中的過氧化物消失，而且這種反應(yīng)能夠反復(fù)發(fā)生。此外還確認(rèn)在能夠可逆充放電的范圍內(nèi)沒有O2及CO2產(chǎn)生，正極能夠?qū)崿F(xiàn)容量為200mAh/g的反復(fù)充放電，同時支持大電流快速充放電。另外，此次使用的正極與現(xiàn)行鋰離子二次電池使用的LiCoO2相比，鈷的重量比較小，有望降低原料成本。

“鋰空氣電池”成為世界各地實(shí)驗(yàn)室努力破解的技術(shù)

如果你有幸造訪美國加州像拉霍亞(LaJolla)這些超級富豪云集的地區(qū),或者去到像芒廷維尤(MountainView)這些高科技公司扎堆的地方,就有機(jī)會領(lǐng)略未來。

確切地說,領(lǐng)略汽車業(yè)未來。特斯拉、日產(chǎn)聆風(fēng)和豐田普銳斯或類似的汽車,在路面上比比皆是。電動汽車和混合動力汽車與普通燃油汽車在車流中交相輝映；許多企業(yè)、購買中心和家庭也都安裝了充電樁。

如果電動汽車廠商們果真如愿以償,這就是我們在某個時段都會置身于其中的未來;汽車廠商們正不惜投入巨資,讓這一幕成為現(xiàn)實(shí)。問題是,將小片地區(qū)的需求變成全國地區(qū)的需求有多容易?

在加州另一處,埃隆·馬斯克(ElonMusk)創(chuàng)辦的特斯拉汽車公司(TeslaMotors)最近提議計劃,在尚未披露的美國西南地區(qū)新建一家巨型電池工廠(具體廠址成了熱議話題)。這個所謂的“千兆工廠”預(yù)計造價高達(dá)50億美元,定于2020年生產(chǎn)的鋰離子電池可滿足50萬輛汽車的需求——年產(chǎn)量超過2013年全球年產(chǎn)量。

可是一些人士認(rèn)為,等到這家工廠破土開張,特斯拉的計劃到時似乎就過時了。IHSAutomotive是領(lǐng)先的全球汽車業(yè)務(wù)情報提供商,該公司的高級規(guī)劃主管菲爾·戈特認(rèn)為,特斯拉的宏偉計劃“恐怕考慮欠周”。原因是,正在研發(fā)的新技術(shù)有望提供更出色的替代技術(shù),解決專家們所說的電動汽車面臨的最大阻礙因素之一。

電動汽車面臨的這個問題就是,電池又大又重；因而,安裝上去的電池數(shù)量很有限。比如說,特斯拉ModelS的電池組平鋪在汽車地板上,大概長2米、寬1.2米。在頂級配置車型中,電池組提供大約300英里(482公里)的行駛里程,之后就需要插入充電樁充電。日產(chǎn)聆風(fēng)充一次電可以跑80英里(128公里)左右。除此之外,充電過程比起只需加油要慢得多。

那么,如何才能生產(chǎn)出性能更好的電池?從最基本層面來說,電池含有正負(fù)極、隔板和電解質(zhì)。許多不同類型的材料可以用作電解質(zhì),不同的材料組合讓電池可以貯存不同數(shù)量的能量。不過,要是材料發(fā)生變化,電池續(xù)航時間和安全特征也隨之變化,所以總是少不了折中辦法。鋰離子電池大行其道,但發(fā)生過鋰電池在飛機(jī)上短路起火的事件,因而攜帶受嚴(yán)格限制。任何活性更強(qiáng)或不穩(wěn)定的電池都有安全隱患。不過,如果設(shè)計出最佳的材料組合,有望獲得巨大回報。

在最近研究工作之前的數(shù)十年中,電池技術(shù)已得到了一系列改進(jìn)。

最先問世的是鉛酸電池,這種電池今天仍然廣泛應(yīng)用于汽車,它們個頭龐大。接著出現(xiàn)了鎳鎘(NiCad)電池,這種可充電電池由此開啟了便攜式技術(shù)唱主角的新時代:筆記本電腦和手機(jī)等移動設(shè)備,還有我們小時候的遙控汽車。再后來出現(xiàn)了鎳氫(NiMH)電池,電池容量或能量密度大概翻了一番。現(xiàn)在,現(xiàn)代化的設(shè)備和電動汽車普遍使用鋰離子(Li-ion)電池。

展望未來,準(zhǔn)備迎接名字越來越復(fù)雜的電池技術(shù),比如鋰鎳錳鈷氧(LiNiMnCo)電池。這種材料的特性很復(fù)雜;眼下,研究人員致力于不僅搞清楚為何這些材料能工作,還要搞清楚如何工作——電子在材料中移動的基本物理原理。

丹尼爾·亞伯拉罕(DanielAbraham)是美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家,他說:“我們阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室在研究一些材料,它們有望將電池當(dāng)前的能量密度提高一倍。我們先夢想或設(shè)想想要處理的材料,然后努力在實(shí)驗(yàn)室合成材料?！?br/>
目前,備受矚目的幾種電池包括:鋰空氣電池(更確切地說是鋰氧氣電池)和鋰硫電池。若能做到可以在各種條件下正常工作,鋰氧氣電池的性能有望比目前的鋰離子電池大幅提升,提高整整一個數(shù)量級。亞伯拉罕說:“這是當(dāng)前一個非常熱門的研究領(lǐng)域?！?br/>
的確,大眾汽車公司最近暗示,它在研究鋰空氣電池。由于開發(fā)工作還沒有最終完成,大眾采用的具體的化學(xué)/材料組合還沒有透露。這家公司的工程師們甚至不愿表示這項(xiàng)技術(shù)已在汽車中進(jìn)行了測試,還是仍處在“實(shí)驗(yàn)臺”階段。

不過,雖然這項(xiàng)技術(shù)有望帶來變革,但想要生產(chǎn)出工作起來持續(xù)、可靠、安全的鋰空氣電池,還面臨一大堆技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止,試驗(yàn)證明電極很不穩(wěn)定。

不過世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在努力破解這個難題,試圖克服種種缺點(diǎn)。但愿更重視這些“超鋰離子”技術(shù),會確保研發(fā)過程加快,并從長遠(yuǎn)來看,確保汽車跑得更快、跑得更遠(yuǎn)。