1.鋰離子電池瓶頸到來

近些年，關(guān)于鋰離子電池的“打破”接連不斷。“容量翻倍”“續(xù)航耐久”“快速布滿”等關(guān)鍵詞，不斷撩撥大眾的神經(jīng)。

但隨之而來的理性分析，又使這些浮華的修飾盎然失容。人們繽紛訴苦媒體標(biāo)題誤人，并沒有真實(shí)處理現(xiàn)在的現(xiàn)狀與困難。

當(dāng)然，鋰離子電池技術(shù)在不斷行進(jìn)。但從某種層面講，鋰離子電池早已徜徉在步履維艱的瓶頸階段。

構(gòu)成這一瓶頸的最底子原因，是所謂的“物理天花板”——鋰離子電池存在理論的儲(chǔ)能上限。

而且，很不幸，我們快要接近這個(gè)上限了。

依據(jù)技術(shù)翻開的“S型曲線”理論，一項(xiàng)技術(shù)大體是從出世、翻開到瓶頸，直到被另一項(xiàng)技術(shù)所替代。鋰離子電池也逃不出這樣的宿命循環(huán)。

當(dāng)舊實(shí)力增加乏力的時(shí)候，新的實(shí)力總能異軍突起，支撐起新的翻開。

在替代鋰離子電池的許多技術(shù)中，鋰空氣電池，可能是個(gè)答案。

若要談及未來，我們也不敢放下百分之百的定論，只是供給一種替代“鋰離子電池”的技術(shù)備選。

電池技術(shù)翻開的S型曲線

2.初顯鋒芒，鋰空氣電池步履蹣跚

盡管稱謂近似，但“鋰離子電池”和“鋰空氣電池”是全然不同的兩個(gè)系統(tǒng)，所觸及的原理也大相徑庭。

“鋰空氣電池”這個(gè)概念，最早見于1970年代。它的中心原理，是讓鋰與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，將發(fā)生的能量直接轉(zhuǎn)為電能。

這就好像燒木頭或燒煤炭，作為人類獲取動(dòng)力最普遍的辦法，讓資料與氧氣直接反應(yīng)，所帶來的是極高的能量開釋。據(jù)核算，鋰空氣電池的能量密度能夠達(dá)到每千克12000瓦時(shí)，這一數(shù)值幾乎是鋰離子電池的10倍，甚至接近了汽油的能量水平（每千克13000瓦時(shí)）[1]。

鋰與空氣的這看似簡(jiǎn)略組合，將電池技術(shù)的物理天花板，提升了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)！

而且，它運(yùn)用的氧氣來自于空氣，這部分資料近乎無限。

可是，工作注定不會(huì)如此簡(jiǎn)略。在這方興未已的不和，潛藏著的，仍然是一篇混沌：鋰空氣電池中發(fā)生的反應(yīng)過火雜亂，還伴跟著許多的副產(chǎn)品生成。甚至許多科學(xué)家們會(huì)感覺自己的研討其實(shí)是“形而上學(xué)”。

2016年，來自美國和歐洲的幾位鋰空氣的專家湊在一起，為《天然·動(dòng)力》寫了一篇介紹鋰空氣電池翻開現(xiàn)狀的文章[1]，里面開篇便是一句：

“在基礎(chǔ)層面，我們對(duì)（鋰空氣）電池中的反應(yīng)進(jìn)程所知甚少。”

隨后，又說：

“沒人知道鋰空氣電池是否會(huì)成為一項(xiàng)技術(shù)，可是為了社會(huì)翻開和人類未來，我們應(yīng)該盡力而為去根究（鋰空氣電池的）可能性”

也便是說，經(jīng)歷了近50年的翻開，這個(gè)領(lǐng)域中最出色的學(xué)者，面臨世人時(shí)，卻只能低聲地嘆息：“我們幾乎一無所知”。

比起那些“充電10分鐘，續(xù)航1000里”的報(bào)導(dǎo)，這肯定是一篇“謙虛”的論文。由于學(xué)者們都心里有數(shù)，人類在鋰空氣的研討中現(xiàn)已栽了太多跟頭。

有個(gè)業(yè)界的八卦，說是一位很有聲望的科學(xué)家發(fā)了一篇鋰空氣電池的文章，達(dá)到了一個(gè)很棒的功用，可他人怎樣也重復(fù)不出來。后來發(fā)現(xiàn)，他所做的鋰空氣電池中，發(fā)生反應(yīng)的其實(shí)是集流體和電池殼，而不是預(yù)料的金屬鋰。究竟鬧得為難收?qǐng)觥?/p>

甚至有些科研巨擘也難逃鋰空氣的咒罵。

從最早的移動(dòng)原子到后來的量子核算，美國IBM公司在微觀科學(xué)領(lǐng)域，能夠說是執(zhí)牛耳者。他們就曾想攻下鋰空氣電池這個(gè)山頭。

IBM在2009年推出一項(xiàng)名為“Battery500”的方案，期望能開宣告一套讓電動(dòng)車行進(jìn)500公里的鋰空氣電池。項(xiàng)目伊始，他們?cè)O(shè)想在2013年造出原型機(jī)，2020年完結(jié)商業(yè)化出產(chǎn)。

可是，2012年之后，“Battery500”就戛可是止了，很難在網(wǎng)上搜到其只言片語。假設(shè)不是IBM有意雪藏，那就只能闡明，這個(gè)方案已然阻滯。

也有傳言說IBM并沒拋棄，而是轉(zhuǎn)向了其他方案。但這些江湖風(fēng)聞，我們也只能姑且聽之，真假難辨。

IBM官網(wǎng)關(guān)于"Battery500"項(xiàng)目的介紹，究竟一項(xiàng)研討效果發(fā)表于2011年。圖片來歷：IBM.com

3.不斷根究，迷霧中曙光初現(xiàn)

盡管前路漫漫，但鋰空氣電池卻也在悄然生長，慢慢翻開。

讓我們從IBM“失利”之后開始敘說，看看在藍(lán)色偉人倒下后，又發(fā)生了什么。

首要，需求回想一下鋰空氣電池的底子關(guān)鍵。一塊鋰空氣電池，由負(fù)極（金屬鋰）、正極（空氣中的氧氣）和電解液組成。盡管只需簡(jiǎn)略的三個(gè)部分，但每一部分的研討都面臨著巨大的應(yīng)戰(zhàn)。

以電解液為例。此前，常用于電池中的電解液是聚碳酸酯，它們不只易燃易爆，而且在充放電時(shí)會(huì)不斷腐蝕電極，底子上幾次充放電后，一塊鋰空氣電池就算報(bào)廢了。

2012年，來自牛津大學(xué)的化學(xué)家彼得·布魯斯提出把聚碳酸酯換成一種名叫二甲基亞砜（DMSO）基電解液。這種新式電解液就不那么容易與電極發(fā)生反應(yīng)。所以，他們成功地讓鋰空氣電池安穩(wěn)循環(huán)了100次[2]。

可是，跟著研討深化，許多人開始對(duì)這個(gè)電解液發(fā)生質(zhì)疑。原因倒不是出自二甲基亞砜本身，而是源自一種鋰空氣反應(yīng)進(jìn)程的中心產(chǎn)品——過氧化鋰（Li2O2）。過氧化鋰是一種強(qiáng)氧化劑，會(huì)把二甲基亞砜氧化二甲基砜，然后構(gòu)成電池功用的極大衰減。

有的研討組發(fā)現(xiàn)，由于這個(gè)氧化現(xiàn)象太嚴(yán)峻，他們的電池循環(huán)了幾十次后，整個(gè)電解液都變了色彩。人們甚至估測(cè)，布魯斯的團(tuán)隊(duì)開始之所以循環(huán)100次，正由于這是二甲基亞砜保質(zhì)的上限。

隨后的展開來自于美國阿貢試驗(yàn)室。這家老牌研討所誕生于二戰(zhàn)時(shí)期，曾制造出人類歷史上第一個(gè)可控核反應(yīng)堆。冷戰(zhàn)之后，阿貢試驗(yàn)室的研討轉(zhuǎn)向于動(dòng)力方向，成為電池領(lǐng)域最受敬重的組織之一。

一個(gè)來自阿貢試驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，通過將一種名為離子液體的資料與二甲基亞砜混合，成功地增強(qiáng)了電解液的安穩(wěn)性。此外，他們還運(yùn)用納米技術(shù)，在原有電極的外表增加了一層保護(hù)膜。這兩方面的規(guī)劃，極大的降低了副反應(yīng)的發(fā)生，這個(gè)團(tuán)隊(duì)成功地將鋰空氣電池的循環(huán)記載提高到了750次[3]。

這個(gè)重要的行進(jìn)激發(fā)了媒體與大眾的喜愛，一時(shí)間宣傳案牘雨后春筍，甚至有人開始聲稱“鋰空氣電池的年代現(xiàn)已到來”。

可是，研討電池的業(yè)界人士卻挑選沉默幽靜幽靜。由于他們知道，許多問題仍然回旋扭轉(zhuǎn)在鋰空氣電池領(lǐng)域。其間，最哀痛的坎，便是Li2O2的問題仍然存在。阿貢試驗(yàn)室的改進(jìn)，只是減緩了這種強(qiáng)氧化劑腐蝕電極的速度，可是這個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)，仍然蟄伏在鋰與空氣的反應(yīng)之中。

針對(duì)這一問題，人們要返璞歸真到熱力學(xué)的實(shí)質(zhì)中去尋找答案。

我們都知道，溫度會(huì)對(duì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生巨大影響。假設(shè)將環(huán)境溫度提高到150℃以上，那么，鋰和氧氣的反應(yīng)就會(huì)優(yōu)先生成氧化鋰（Li2O）。Li2O的氧化性就相對(duì)溫文，對(duì)電極的腐蝕作用也要緩慢許多。

不同溫度中，鋰與氧氣反應(yīng)的自由能。[4]

可是，150℃啊！在這個(gè)溫度下，作為有機(jī)物的二甲基亞砜，具有極大的爆破風(fēng)險(xiǎn)。

既然如此，我們就再換一種電解液吧。在近期的《科學(xué)》雜志上，來自加拿大的科學(xué)家們，運(yùn)用熔鹽作為電解液處理了這個(gè)問題，

他們將兩種硝酸鹽（LiNO3和KNO3）混合，并加熱到150℃。此刻，這種混合物會(huì)融化成液態(tài)。運(yùn)用這個(gè)液態(tài)的熔鹽，再配合上新規(guī)劃的電極資料，居然成功躲避掉了浮躁的Li2O2。在他們的試驗(yàn)臺(tái)上，整個(gè)鋰空氣電池平穩(wěn)運(yùn)行了起來，而且中心產(chǎn)品全部是溫文的Li2O。更令人歡欣的是，研討者發(fā)現(xiàn)這種全新的鋰空氣電池，表現(xiàn)出了更強(qiáng)的儲(chǔ)能才調(diào)！

不同中心產(chǎn)品對(duì)鋰空氣電池的影響示意圖。[5]

盡管儲(chǔ)能才調(diào)變得更健壯，但不管怎樣看，150℃都不是一個(gè)友善的溫度。很難夢(mèng)想，怎樣將一個(gè)堪比鐵板燒的電池放進(jìn)手機(jī)后蓋，或許坐在熱騰騰的電爐子上開車通勤。關(guān)于這一問題，作者也暫時(shí)沒有適宜的應(yīng)對(duì)辦法，這無疑給鋰空氣電池的實(shí)踐運(yùn)用帶來了妨礙。

4.結(jié)語

舊技術(shù)，老到與式微；新技術(shù)，誕生與曲折。電池的翻開，無可逃過伴跟著這些起伏與蒼茫。一個(gè)問題的處理，又帶出了另一個(gè)，甚至另幾個(gè)新問題。

在看不到止境的往復(fù)中，鋰空氣電池，是否還能給人類一個(gè)儲(chǔ)能的答案？

拭目以待。