电池容量有望突破，丰田发力锂空气电池

　　锂空气电池有可能实现非常大的容量。我们希望两家公司齐心协力，开发出全新的电池”。

　　2013年1月24日。在丰田与德国宝马签订协议后，丰田代表董事副会长内山田竹志在紧急记者会上表明了决心。该协议意味着两家公司正式就合作研发燃料电池车和跑车、轻量化技术，以及“后锂离子充电电池技术”达成了共识。

　　什么是丰田所说的“革命性电池”？

　　听到内山田的决心，笔者的脑海中浮现出了一个人。那就是丰田电池研究的关键人物之一——射场英纪。射场在丰田设在静冈县裾野市的新一代电池开发基地“电池研究部”担任部长，是革命性充电电池研发的阵前指挥。

　　“为10年、20年后的未来开发革命性电池是我们的使命”。

　　采访射场时他说的这句话给笔者留下了深刻印象。丰田大力研发的“革命性电池”，就是有着“后锂离子充电电池”之称的锂空气电池和全固体电池。在笔者2012年11月采访的日本国内最大的电池学会“第53届电池讨论会”上，丰田积极展示了多项锂空气电池和全固体电池的研究成果。

　　丰田的电池开发进展如何？该公司及整个电池行业关注的最新技术是什么？为了帮助读者解开这些谜团，《日经电子》策划了“新一代电池开发最前线2013”（2013年2月28日，东京永田町）。该研讨会预定包括8场演讲，射场的演讲将占据比较长的时间。在90分钟的时长内，射场将为大家娓娓道来“革命性电池”实现突破需要的技术要素。

　　不断进化的全固体电池

　　“最近，发现了锂离子传导率堪比有机电解液的物质，所以期待进一步提高……”

　　在2012年11月的电池讨论会上，全固体电池相关的发表虽然为数不少，许多人的开场白都象上述那样引人注目。令众多电池研究人员密切关注的“锂离子传导率堪比有机电解液的物质”是Li10GeP2S12，这是东京工业大学研究生院综合理工学研究科物质电子化学专业教授菅野了次率领的研究小组发现的一种硫化物类固体电解质。在这种电解质环境下，表示固体电解质“锂”扩散速度高低的锂离子传导率在室温（27℃）时达到了1.2×10-2S/cm。

　　“资源”和“安全”关注高涨

　　除了以提高容量为目标的锂空气电池和全固体电池的开发日渐活跃外，最近，后锂离子充电电池的另一个开发主题也逐渐成为关注的焦点。那就是“资源”和“安全”。

　　资源方面，前景看好的是不使用稀有金属“锂”的钠离子充电电池。其特点是使用储量丰富的钠。站在钠离子充电电池研发最前沿的东京理科大学理学部应用化学科副教授驹场慎一自信地表示，“（钠电池）隐藏着能够大幅降低成本的潜力”。相关正极材料、负极材料和电解液的候选接二连三登场，目前已经具备了在常温下容量毫不逊色于锂离子充电电池的实力。

　　波音787的电池事故

　　安全是与锂离子充电电池开发形影不离的课题，由于美国波音公司的中型客机“波音787”电池事故连发，使得这个课题受到了更大的关注。

　　最近，日本国土交通省航空局把客机可以运输的飞机用锂离子充电电池的重量从35kg下调到了与普通用途相同的5kg。这是针对国际民间航空组织（ICAO）因波音787的电池事故而修订指针后采取的相应措施，现如今，确保安全的难度确实有所增加。查明电池事故的原因估计还需要一段时间，但无论如何，在今后，电池安全对策技术无疑都将面对更加强烈的需求。

　　日本首都大学东京研究生院城市环境科学研究科分子应用化学领域教授金村圣志开发出了遏制锂金属电池反复充放电时析出枝状锂金属的技术。这是一种具有三维规则排列多孔构造，能够使锂均匀析出为粒状的隔膜“3DOM隔膜”，目标是把安全且能量密度高达500Wh/kg的锂金属电池投入实用。在2月28日的研讨会上，金村将担任开场，率先登场发表演讲。

　　什么是锂空气电池

　　锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。

　　放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91 V。

　　锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg（包括氧气质量），或11.14kWh/kg（不包括氧气）。相对与其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能，因此，它非常有吸引力。

 

　　电池靠“呼吸”氧气来充放电

　　电池靠“呼吸”氧气来充放电，听着都新鲜。2月19日，记者从中科院青能所获悉，该所团队在“锂空气电池”研究方面取得突破，通过对催化剂的研究 ，大大提高了锂跟空气中氧气结合和分解的效率，从而提高充放电效率，为其尽快实现商业化应用奠定基础，并有望成为未来电动汽车的理想电源。

　　

　　一次充电有望跑800公里

　　“对锂空气电池的研究应用前景是非常广阔的，”2月19日，中科院青能所仿生能源与储能系统团队研究员崔光磊向记者介绍了他们的团队对于锂空气电池研究取得的新进展。

　　锂电池大家都很熟悉，那何为“锂空气电池”？据了解，锂空气电池是一种新型的金属空气电池，崔光磊说，锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg，高出现有电池体系1到2个数量级，也就是说单位质量的电池放出的电量是其他电池的数十乃至上百倍。

　　据了解，未来电动汽车对电源能量密度的要求为700Wh/kg，锂空气电池能完全满足这一要求，它一次充电有望能行驶800公裡。

　　应用前景广阔，但是目前该项研究还没有用到实际运用当中，“这跟造价各方面都有很大的关系，因为要达到良好的效果目前最好的催化材料就是金、铂等，这显然成本太高了。”中科院青能所仿生能源与储能系统团队在锂空气电池电极材料的研究中取得突破性进展，他们研发出的新型电极材料可以很好地提高锂空电池在深度放电时的循环能力，为这种极具吸引力的电源体系尽快实现商业化应用奠定了基础。

　　电池靠“呼吸”氧气充放电

　　我们都知道，电池都有正负极，那锂空气电池的正负极是什么呢？崔光磊说，锂空气电池的正负极就在其名称中，金属锂是它的负极，而正极就是空气中的氧气。

　　“锂空气电池的工作塬理十分简单，放电过程氧分子与锂离子结合形成过氧化锂﹔而在随后的充电过程中，过氧化锂进行可逆分解，产生氧气。”这个过程像极了生物的“呼吸”过程：吸入氧气，氧气跟有机物化和成水和二氧化碳，释放出能量，提供生物生命能量﹔而水和二氧化碳通过植物的光合作用生产储存能量的有机物，释放出氧气。

　　崔光磊说，氧作为锂空气电池的正极好处太多了，因为氧在空气中广泛分布容易获得，大大降低了电池的造价，并且对环境也没有污染，这种电池的能量密度还很高，“这种技术投入商业化应用，那么未来的电动汽车将具备能与传统的燃油汽车相媲美的续航能力。”

　　“多面手”催化剂能吞能吐

　　那电池的“呼吸”是怎样完成的呢？这就不得不提到该团队的研究核心——催化剂。在该团队研究的锂空气电池示意图中记者看到，这种电池分为叁层，锂、电解质、催化剂。氧气就是在催化剂层进入电池跟锂离子反应的，“电解质的作用就是让锂离子能顺利通过但是又不至于造成正负极的短路。”而能让锂和氧气“联姻”的关键，则是催化剂层。

　　据介绍，目前锂空气电池存在充放电能量转化效率低、深度放电循环寿命短等两个核心问题，该团队针对这个问题出发寻找制约两个问题的关键：催化剂材料。“我们研究发现，过渡金属的氮化物的特性非常适合。”这也成了研究的突破口，该团队通过将钴元素引入氮化物材料，设计合成了具有双效催化性能的钴钼氮叁元材料，“说它是双效催化，也就是说类似于‘多面手’，它既可以催化放电，也可以催化充电，特性非常明显。”

　　崔光磊说，他们将这种催化剂设计成为纳米结构，增加催化反应的面积，形成高性能锂空气电池阴极，成功地降低了电池的充放电极化，提高了能量转化效率，大大提高了锂空气电池在深度放电时的循环寿命。一系列研究将锂空气电池的循环寿命提高 70%。

　　有望助力替代汽车燃油

　　随着化石类燃料价格的飞涨，通过高效的电源代替石油类产品，从而为机动车辆提供动力支持，已经成为现代社会发展的迫切要求。锂离子电池一直被视为电动车最佳候选者。然而，基于锂离子电池电动汽车的续航能力仍然不能满足人们的需求，这是因为与传统的汽车相比，锂离子电池的能量密度仍然小于汽油燃烧的能量密度。而锂空气电池，作为锂离子电池的理想替代者，蓄电能力比性能最好的锂离子电池仍然高出10倍。“我们这个研究已经持续了叁年多时间，难度最大的还是寻找这种材料。”崔光磊说，目前的结果也是他们多年奋斗的结果，意义重大。该项研究得到中科院、国家自然科学基金委、山东省杰青基金和青岛市太阳能储能技术重点实验室等攻关项目的支持，现已取得多项重要研究成果。

　　锂离子电池与锂空气电池

　　锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等，它是以含锂化合物为正极，碳素材料为负极，比其它汽车电池的密度更高、电量更充足，但也更贵，受制于电池容量，充电后的行驶距离仍不够远。普遍认为，要实现电动汽车的普及，能量密度需达到目前的约6～7倍。于是，理论上能量密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。

　　科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要一定时间。