专题 | 电动汽车需要下一代电池：锂空气电池
命题：在电动车能达到800公里
（约500英里）的续航里程并拥有
大众负担得起的电池之前，
它仍将是小众产品。
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这是大部分人希望一天开车的最远行驶距离，然后他们整个晚上都可以为电池充电。
我们就是这样得出800公里（约500英里）这个数字，作为我们“电池500”这个研发项目的目标的。这个项目2009年始于加利福尼亚州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心。自与欧洲、亚洲、美国的商业和学术参与者们建立了跨国合作伙伴关系以来，该项目取得了很大进展。该项目基于金属-空气技术，与目前代表最高技术水平的锂离子电池相比，这一技术可在一定质量的电池中容纳多得多的能量。要实现商用还需要很多年，但我们已经取得了足够的进展，能够预测到，这些电池在可预见的未来可被用于汽车中。为什么我们这么有信心呢？听我道来。
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电动马达非常适合为汽车提供动力。它们重量轻，动力足，能将效率提升超过90%，并且它们不需要复合传动，扭矩输出正好适用，在零转速时就可输出最大扭矩。相比之下，内燃发动机要达到数千转/分（rpm）才能产生高扭矩。
但是，尽管电动汽车的动力机制接近理想化，它们依然有一个巨大的缺点，就是电池的容量低。每公斤汽油可提供约13千瓦时的电力；而最好的锂离子电池仅能存储约250瓦时/公斤的电力；再加上辅助电池设备——包括汇流条、冷却系统以及电池管理系统——的重量，整个系统的能量密度会下降一半，导致电池的原始能量密度只有汽油的1%。
汽油和电池在能量密度上的巨大差距似乎使制造有竞争力的电动汽车变得不可能了，但特斯拉Model S的成功表明，这是可以做到的。电动汽车的一个主要有利因素在于，将电池电力转化为车轮驱动力方面的效率很高——约是美国本土汽油燃料汽车平均转化率的6倍。此外，电动汽车制造商把他们能够用到的最大、最重的电池尽可能合理地融入其设计中。即便如此，其行驶范围也远远达不到500英里的目标。所以要实现这个续航里程，电动汽车的电池能量密度至少要达到锂离子电池的两倍。
成本的重要性不亚于能量密度。今天的电池成本在每千瓦时200至300美元，这意味着——按平均5或6公里/千瓦时计算——一辆续航里程为800公里的汽车将需要150千瓦时的电池，这一成本为3万到4.5万美元。相比之下，宝马2系轿车的基准价格为3.3万美元。这项技术要获得真正的立足之地，每千瓦时的价格必须降到不超过100美元。有了这样的价位，外加电动汽车在能源使用和维护上较低的运营成本，以及这样一辆操控性极佳的汽车所带来的纯粹的驾驶乐趣，就可以确保电动汽车在市场上取得成功。
但是，我们如何得到续航里程达到800公里的电池呢？让我们从锂离子电池这一前沿领域开始探讨。
常规或“插层”锂离子电池是一个密封系统。该系统有一个由石墨制成的电极（阳极）和一个通常由各种过渡金属氧化物（如钴、镍或锰）制成的反向电极（阴极）。两个电极都浸没在溶解了锂盐的液体有机电解质中。在这种电解液中，锂离子从一个电极运行到另一个电极，运行的方向取决于电池是正在充电还是放电。在两个电极之间，有一个多孔聚合物隔板浸在电解质中，以防止电极短路。离子嵌在电极材料的原子层之间。这个过程被称为插层，并且它是可逆的——也就是说，它允许充电。
如果电极是通过外部电路连接的，锂离子将从负电极移动到正电极，电子流经所连接的外部电路，从而使电池放电。而外部施加的电压将扭转离子流，使电池充电。电池容量取决于插层内的材料量。换句话说，电池容量与阳极和阴极的体积以及质量有关。
但是，金属空气电池采用了真正的电化学反应，而不是插层。为了清楚起见，我们假设这种金属是锂。在放电过程中，金属锂阳极释放锂离子；这些锂离子通过电解质传导并在阴极与氧气结合，形成过氧化锂（Li2O2）。在传统的锂离子电池中，电子会流过外部负载电路来补偿电池内部的锂离子流动。过氧化锂累积在多孔碳阴极的表面上，参与反应的三方（锂离子、电子和氧）在这里汇合并发生反应。由于反应发生在表面，只要表面积够大，阴极材料的体积或质量都无关紧要。这是这种类型的电池拥有如此高的能量密度的最主要原因。
充电过程则正相反：一个外加电压分解过氧化锂，氧扩散回大气中，而金属离子迁移回阳极，在那里获取电子，从而转换回金属。
这个通用原则可以应用于多种不同的金属。锂空气、钠空气——一个有趣的新竞争者（参见本文最后《钠：能量少但稳定性高》）——和钾空气都是可行的系统，因为它们适于充电。较重的金属，如锌、镁、铁、铝已经被证明很难充电，所以我们在这里对它们不予考虑。
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我们的工作主要集中在锂和钠。让我们先从能量存储容量更大的锂入手。很多外部化学反应会使这些电池的内部发生混乱。为了理解这些副反应，我们精确地测量了在这些电池的周期中所消耗和产生的气体。为实现这一点，我们使用了IBM阿尔马登研究中心内的一个复杂的电化学差分质谱仪。其特点是有8个气体测试站点，可用于平行试验。
正是这台仪器给了我们真正的关键认识。例如，它显示，早期的锂空气电池在充电时所释放的氧气比它们放电时所消耗的氧气少得多。（对于大多数实验，我们用的是干氧而不是空气。）
在一个理想的电池中，放电过程中所消耗的氧气量应恰好等于充电时所释放的量。因此，我们的发现是坏消息，因为它意味着，在充电时Li2O2分解过程中释放的大量氧会攻击组件，特别是电解质。电池并不是在充电——它们是在自毁！
在我们的姐妹实验室——IBM苏黎世研究实验室的帮助下，我们通过实验和计算机模拟追踪了这种寄生反应的来源。我们认为，其中的主要问题是有机电解质——它被分解了。那以后我们已经朝着解决问题的方向走了很长的路。在我们的最新型电池充电时，我们的新电解液（稍后我们会对其进行描述）会释放其在放电过程中所吸收的大部分氧气。我们还仔细监测了电池在充放电周期中所产生的氢气和水，因为它们的出现表明仍然存在至少一种其他的寄生反应。
我们的电池已经能进行200次充放电，但到目前为止，只有将放电限制在小于理论最大值时，我们才能实现这点。
下面是我们的一些关键结论。
阳极：不同于标准锂离子电池里的石墨阳极，我们的锂金属阳极在充电时，其表面会发生显著变化，生成被称为枝晶的苔藓或树突状结构。这些枝晶很危险，因为它们在阳极和阴极之间提供了导电通路，这会使电池短路。
通过在阳极和锂离子的源极之间放置一个特殊的隔板，我们在限制枝晶的形成方面取得了极大的成功。这个隔板包括一个隔层——我们尝试了有机和无机材料——其中包含了纳米级的小孔。小孔小到足以均匀地分布流动的离子流，从而抑制枝晶的形成。利用这个纳米多孔隔板，金属可以在数百个周期后仍保持光滑；而用标准隔板，它会在几个周期后形成枝晶。另一种将离子传导玻璃与聚合物基质结合在一起的薄膜效果更好。
幸运的是，电动汽车的大容量电池只需要几百次（而不是几千次）完全充放电。例如，一辆续航里程为500英里的汽车，在总行驶寿命的20万英里（约32万公里）中，仅需要完全充电400次。
电解质：我们使用的经改进的电解质溶剂分子，在运行期间仍然可被氧气或其他化合物分解。我们还没有发现任何足够稳定的、可商用于锂空气电池的单一溶剂，但我们发现了一种非常有效的混合溶剂。
阴极：我们将一些亚硝酸锂（LiNO2）添加到碳阴极中，以尽量减少在充电期间加速电解质分解并释放出二氧化碳的不良催化作用。即便如此，该反应仍要求施加的充电电压必须要比电池的工作电压更高——高达700毫伏。如此高的过电压会降低电效率，即放电期间所释放的能量与充电期间泵入电池的能量的比值。虽然这比用普通碳素阴极（1200多毫伏）得到的结果要好得多，但与实际应用仍有距离。将碳替换为金属氧化物后，我们得到了类似的结果。
催化剂：科学界对于有意在金属-空气电池中使用催化剂的利弊有大量争论。催化剂往往会使过电压明显降低，但要说这完全有利还必须格外谨慎，因为催化剂通常会加速电解质的破坏。此外，我们的理论研究表明，锂-氧反应的活化能量——在两个方向上——都非常低。因此不应该需要催化剂。
空气处理：我们称这些设备为锂-空气电池，但事实上，我们大多采用的是干氧。这里要强调的是“干”，因为我们要使其可用，只需要去除空气中的水蒸气和二氧化碳，而不是氮。要在商用规模的电池上做到这一点，我们需要投入大量的工程努力，创造一个空气净化系统。该系统要足够轻、高效、可靠，以保持这一技术的节能优势。
另一项未完成的工程任务是如何扩展到更大的电池，并将它们整合成一个多电池芯的模块和电池块，包括量身定制的电池管理系统。我们原来的电池芯长度大约为13毫米，直径为76毫米；我们正在测试100毫米×100毫米的版本。
整个项目的动力来自实现高能量密度比（每单位质量的能量）的愿望。那么我们现在的进展如何呢？
锂-氧反应的理论（比能）能量密度是3460瓦时/千克，这比任何锂离子插层化学的理论极限都高得多。由于电池内部不参与反应组件的惰性质量，电池的实际能量比插层及金属-空气化学的理论值要低得多。这些惰性质量组件包括电解质、电池外壳、集流器和隔板。此外，锂空气电池的惰性质量还要加上制造电池环境空气所需的机械的质量。正是这些工程问题使锂空气电池在汽车应用方面的实际开发成为一项挑战。
要报出锂氧技术的实用能量密度的数字还言之过早，更别提锂空气技术了。这些数字取决于工程细节，但项目仍然关注于材料和化学的基础科学。不过，早期的结果还是令人鼓舞的。例如，我们已经测量出15千瓦时/千克的原料碳阴极材料的比能密度（5700毫安小时乘以2.7伏每克的炭黑）。但是正如我们前面所指出的，实际的能量密度将因电池中所有其他组件的质量而大大降低。我们目前可以实现的最佳预测是约800瓦时/千克的电池水平。
首批实用的金属-空气电池可能会被用于客车、卡车和其他大型车辆，它们更易容纳空气清洁机械的质量。但是，意义最为深远的变革终会到来。技术会涉及家用轿车，摆脱目前电动汽车的“里程焦虑”，并使我们摆脱对石油的依赖，不再引发诸多难题。
钠：能量少但稳定性高
尽管钠-空气电池的能量密度比锂空气电池的低，但它依然是另一种有趣的可能。
较低能量体现了反应的性质，即仅用一个电子产生超氧化纳（NaO2），而不是过氧化钠（Na2O2）。这使能量密度降低了一半。该反应的理论比能约为每千克1100千瓦时。
另一方面，钠-空气电池的充电效率比锂-空气电池更高，因为它们的超电势非常低——小于20毫伏，而锂空气电池则为700毫伏。其结果是，有可能将工作电压保持在3伏以下，这样的电压能够保护组件，防止其被破坏性氧化，特别是在锂-空气系统中出现的电解质破坏。我们通过测量证明了这一点，其效率达到了98%以上。这就在充放电周期中形成了很好的稳定性：50次周期后，电池的容量基本保持不变。
有几个技术挑战需要克服。例如，由于氧化反应的性质，钠-空气电池比锂空气电池所吸收的空气要多1倍，需要的气流相当于相同功率的活塞式发动机。还有金属钠的高化学活性，你可能还记得在高中化学实验课上一小块钠与水发生的剧烈反应。
锂是比较稀有的，而且不便宜，而钠则像食盐一样普遍，而且不贵。钠-空气电池的材料费用可能还不到锂离子电池的十分之一。从长远来看，锂金属电池的性能最佳，但是将稳定性、低成本和仍然出色的比能相结合来看，钠空气技术很可能成为目前电池与未来电池之间的桥梁。
作者：Winfried W. Wilcke, Ho-Cheol Kim
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