東京大學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，由此實現(xiàn)了新原理的電池系統(tǒng)。這種電池的能源密度達到了現(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負氧化還原作用的，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)會導致有機電解液不穩(wěn)定，等等。因此，一直未能真正投入實用。

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，能量密度達到370Wh/kg，與使用LiCoO2正極和石墨負極的現(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，使用這種正極可實現(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)。同時還實施了過氧化物的定量分析，確認充電反應(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)能夠反復發(fā)生。此外還確認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”成為世界各地實驗室努力破解的技術(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。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”預計造價高達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)生過鋰電池在飛機上短路起火的事件,因而攜帶受嚴格限制。任何活性更強或不穩(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。

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,準備迎接名字越來越復雜的電池技術(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驗室的材料科學家,他說:“我們阿爾貢國家實驗室在研究一些材料,它們有望將電池當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,然后努力在實驗室合成材料。”

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:“這是當前一個非常熱門的研究領(lǐng)域。”

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/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技術(shù)已在汽車中進行了測試,還是仍處在“實驗臺”階段。

不過,雖然這項技術(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,試驗證明電極很不穩(wěn)定。

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