锂空气电池 - 新一代电池花落谁家

　　锂空气电池

　　除了还原剂令人头痛，氧化剂的选择也没有什么余地。如果不用过渡金属，卤素也显然不行，那就只能选氧与硫。锂空气电池（锂、氧）与锂硫电池都有很多人研究，但进展寥寥。除了IBM曾经爆出过大新闻。

　　IBM旗下的

　　“电池500”项目，致力于使锂空气电池商用化。和目前商用的重金属氧化物作为阴极的锂电池不同，锂空气电池的负极是泡在有机电解液里面的碳棒，反应物则是空气中的氧气。

　　

　　空气理电池作用原理图

　　这种反应模式最大的优点是无须自带阴极氧化物，重量大大减轻，能量密度可以提升10倍，插电式电动车依靠这种电池可以一次行驶800公里，超过传统动力车。不仅如此，锂空气电池也可以不进行充电，直接更换正负极卡盒，算是一种新型的燃料电池。

　　既然使用空气，该电池必须设计成开放系统，电极和电解质都暴露在空气中，这使得人们始终无法维持这两者的稳定性，被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应，导致负极迅速劣化。无论“锌空”到“锂空”，都被严厉地批判过。

　　日本旭化成公司（Asahi Kasei）和中央硝子公司（Central Glass）在分离膜和电解液方面为该小组提供支持。

　　该小组尝试将碳棒换为昂贵的纳米金阴极，将阴极反应液换成更不容易参与阴极反应的有机液体。并声称获得“充放电高达数百次而性能下降不明显”的锂空气电池。但距离商用化，仍然有“很长的路要走”。

　　为了避免负极产生枝晶，即锂离子在负极表面无序生长，需要加强捕获锂离子的手段。微宏公司也声称采用“多孔复合碳”作为负极材料，比表面积是传统石墨的20倍以上，使锂离子稳定快速地迁移。

　　石墨烯

　　既然电池的正负极表面材料和结构大有讲究，为什么不利用近来突飞猛进的纳米技术，用各种纳米线、管、球、碗设计精细有序的表面结构呢？

　　石墨烯就是其中的大新闻。尽管人们普遍对此怀有疑虑，因为声称以石墨烯为原料的锂电池能量密度高达600wh/kg，是传统动力锂电池的5倍。一度有人将石墨烯技术当做解决新能源车续航问题的终极方案。可惜，谁也没有在可控成本上复制试验室成果。

　　单层或者2层石墨烯确实很神奇：最薄、最坚硬、最导热、最导电，简直就是上帝赋予的材料。但只是看上去很美。

　　

　　韩国研发石墨烯超级电容电动汽车充电只需4分钟

　　“接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克几千元的售价，做成电池谁买？现在有公司声称将石墨烯的成本降低10倍，但仍然太贵。

　　即便不考虑成本，石墨烯很难分离到“完美”的1、2层，现有几种方法分离出的石墨烯，充满着官能团和瑕疵，层数不一，电化学性能远不尽人意。

　　有人提出，像撒芝麻一样，在导电剂中掺点石墨烯。但马上就有唱反调的人站出来说，石墨烯做导电剂分散性，还不如廉价的碳家族兄弟。石墨烯很容易把从正极出发的锂离子通道给堵死，反映到宏观层面，就是这种电池充一两次电之后就废了。

　　石墨烯做负极，理论上最多是石墨负极两倍的容量，而硅做负极的理论容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不过人家。事实上如果只考虑能量密度的话，金属锡更适合作为负极材料。但到现在为止也就索尼推出过“锡电池”（Sonynexelion14430W1）。但是，锡电池的名气远不如还未做出成品的石墨烯电池。

　　固态电池

　　电解液只为了电子有序迁移提供通路，本身并不能蓄能。如果没有电解液，岂不能提高能量密度？能量载体的物质密度，固体》液体》气体。这是很容易理解的。

　　

　　丰田在2010年展示出的固态电池技术

　　支持全固态电池的厂商声称，他们研发的对象规避了液态电池的种种弊端。作为技术关键，固态电池传递电荷的介质（电介质）是各家电池公司的饭碗。尽管理论上可用氧化物、硫化物、氮化物作为固态电解质材料，但无法实现液态电池那样的传导率。德国马克思普朗克研究所开发的一种包含锂、锗、磷、硫的化合物，传导率空前地高，但仍未能达到液态电池的水平。

　　所有固态电池厂家心知肚明的是，电池阴极和固态电解质之间的转移电阻过高，致使固态电池的功率密度还很低。同时，制造电池（其实是固态电介质）成本还非常高，因此距离商业化还有很长的路要走。

　　作为新能源技术领头羊的丰田存在同样的苦恼。公司高管必须做出决定，选择看起来靠谱的那一个技术方向。在2010年，丰田推出了续航力达1000公里的电动车，用的就是固态电池技术。丰田还畅想在2020年将该技术商用化。但很快，丰田就将资金砸向氢燃料电池技术，围绕氢制备和存储，建立了庞大的专利群。丰田的宣传机器转而宣传“美好氢时代”。

　　

　　日本“超级电池”容量可达锂离子电池7倍

　　丰田从电动转向“氢动”，鉴于丰田的地位，此举直接打击了固态电池产业。一时间，几乎所有厂家都本能地对固态电池持谨慎态度。当丰田莫名其转向时，有些整车厂甚至还没有搞清楚，固态电池的瓶颈到底在哪里。

　　曾得到巴斯夫和通用投资的创业公司Sakti3，声称研发出拥有1100WH/L的能量密度的固态电池——相当于主流锂电池的4倍。Sakti3预测，固态电池电池的成本将“很快”降低至100美元/千瓦时。

　　而丰田曾公开表示，“在克服技术障碍的前提下”，全固态电池在2025年可以实现商业化，比锂空气电池早5年。但随后丰田很快发现，“技术障碍”是如此地强大，足以阻碍固态电池的技术前进脚步。丰田选择了另一条道路，所谓的“2025年固态电池”再也没有被提及。

　　让所有创业公司迷惑、新能源整车厂家谨慎的是，眼下不存在竞争优胜者。5年内新能源汽车未来的产值将达到整个汽车工业的10%。在不能产生新王者的局面下，庞大的产值仍然依靠我们今天熟悉的锂电池产业。有明确商业价值的新一代电池，会诞生在我们已经提到的这些技术方案之中吗？这是一个大概率事件。毕竟选择就那么几样。不过，新技术很可能赋予它们新面目和可靠的竞争力。