新型鋰空氣電池技術解析
小到手機、MP3，大到筆記本、攝像機，甚至是電動汽車，電池是它們的核心動力來源。可以這么說，所有需要移動使用的電子產品無一例外地都需要電池來供電，因此在各種電子產品快速發展的同時，業界也更為關注以及著力推動電池技術的更新。要知道，我們使用多年的鋰離子電池技術中有著很多明顯的缺點，于是在多種有望替代鋰電池的技術當中，近期又出現了一股新勢力——鋰空氣電池。
小電池，高科技
我們有必要先來了解一下電池技術的重要性，也許許多讀者會這樣認為，“一顆小小的電池算得了什么，沒有必要去研究吧？”其實不然，電力一直都是我們生活中最重要的能源之一，而電池就是產生或存儲它的一個重要的方式。IBM成立了一個Almaden實驗室，它與龍頭企業、研究所等機構合作開展研究鋰和氧元素結合材料的電池技術。在此之前，筆記本電腦和手機電池的技術突破是在美國完成的，而現在，日本和韓國已經成為了電池技術的主導國家，IBM希望讓電池技術的領導權由亞洲轉向美國。
就如同美國依賴中東的石油一樣，在汽車行業從傳統的汽油動力汽車轉向綠色的電動汽車發展之后，這個汽車大國并不想依賴于亞洲的汽車電池。因此美國企業擔心會錯失這個歷史上最重要的技術變革機會以及其帶來的市場。除了IBM，在過去5年，通用電氣也投入1.5億美元資助了新型電池的開發。就連芯片巨頭Intel也欲投入電池的生產，Intel前CEO Andy Grove說道：“我們在上世紀70年代失去了電池技術的控制權。電池技術將決定未來，如果我們不迅速行動，我們將被韓國和日本甩在身后。”
由于眾多企業的重視和研發，現有的電池技術不少，主流的就是鋰離子電池，相信隨意打開手機、數碼相機、筆記本，我們都可以看到其中的鋰電池，現有的電動汽車也多配備了鋰離子電池。電池性能一般以單位重量的能來表示，鋰離子電池在放電時的能為鎳氫（Ni-MH）電池的兩倍左右。但是，鋰離子電池存在嚴重的局限性，就像筆記本出現過的著火事故一樣，一旦鋰離子電池存在內部短路就會導致過熱、燃燒甚至爆炸等安全性問題。而且鋰離子電池在壽命以及大能成本方面也存在難題。IBM的研究人員認為，鋰元素結合氧氣才是最有前途的電池技術，因為它能夠提供相當于鋰離子電池10倍的能。
1.不斷進步的電池技術
一般手機或筆記本電腦中的普通鋰電池，是由有機電解質的石墨（負電極）和鋰氧化鈷（正電極）組成。在充電時，鋰離子離開正電極，而充電后，隨著鋰電池的放電使用，鋰離子(Li+)漸漸回到正電極。電子(e-)在外部電路中流動，從而產生電能。要提高鋰離子電池能和性能的一個主要因素是，嵌入電極的材料設計和合成以及其優化生產，其他因素包括電解質作用、隔層和電池設計與組裝等。鋰空氣電池就是在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，因此理論上正極的能是無限的，可加大能。而負極使用了金屬鋰，理論能會比鋰離子電池更高。
不過，最早研發出的鋰空氣電池沒有普及的原因在于其存在著致命的缺陷，通過化學反應，在正極會堆積固體反應生成物——氧化鋰（Li2O），它將使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導致放電停止。于是日本產業技術綜合研究所發布了新的鋰空氣電池設計，只在金屬鋰的負極使用有機電解液，而在正極的空氣一側使用水性電解液，在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的固體電解質隔膜，將兩者隔開，這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生高效反應。
2.空氣化學反應發電
新的鋰空氣電池在放電時，負極的金屬鋰以鋰離子（Li+）的形式溶于含有鋰鹽的有機電解液，并將帶負電的電子(e-)供應給導線。溶解的鋰離子穿過固體電解質移到正極的水性電解液中。正極通過導線得到電子，空氣中的氧氣(O2)和水(H2O)在微細化碳表面發生反應后生成氫氧根離子（OH-）。在正極的水性電解液中與鋰離子結合生成易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH）。由于不是固體氧化鋰，這樣就不會引起空氣正極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質隔膜，因此不存在和負極的鋰金屬發生反應的危險。
電極反應表：
在充電時，負極通過電源導線得到電子，鋰離子（Li+）由正極的水性電解液穿過中間的固體電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬鋰。正極反應生成氧，產生的電子供應給導線。此外，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合，因此相比以前使用鋰氧化鈷正極的成本更低。而且鋰空氣電池還配置了充電專用的正極，可防止充電時空氣極發生腐蝕和劣化。
3.優勢高達100倍
新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進行放電時，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說實現了能的大幅增加。另外，充電能也達到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍，因此使用新技術后共比鋰離子電池約高100倍。盡管水溶液性能較高，但凝膠的易用性更為出色，今后使用哪種材料就要廠家根據需要進行開發。
新結構的鋰空氣電池還在考慮與傳統電池不同的使用方法，如果鋰空氣電池沒電了也可以不必進行充電，只需要通過更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補給負極的金屬鋰，就可以連續使用。基于這種新技術，筆記本、電動汽車便可無需充電等待時間，立即使用或行駛。而且通過回收用過的水性電解液中空氣極生成的氫氧化鋰，以化學反應的方式很容易重新生成金屬鋰，還可實現鋰的反復使用，可以說這是一種以金屬鋰作為消耗物質的新型電池，理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。
就如同開始我們提到電池技術的重要性一樣，它已經上升到一個國家能源戰略方案的高度。在日本，開發鋰空氣電池技術的主要是大學、技術研究所等。雖然企業還不是主角，不過，有眾多汽車廠商與這些研究機構進行了合作，其中，豐田汽車就已經與大學展開共同研究。三菱汽車和富士重工同樣也在關注這項未來應用在電動汽車上的電池技術，并有相關的試驗研究。東芝將在2010年實現手機用小型電池的實用化，由于手機市場規模巨大，因而更便于其他廠商涉足該領域，也就更容易推動小型鋰空氣電池的普及。
在美國，由于IBM在材料科學、納米科技、化學以及超級計算機方面深具經驗，因此它在新電池的開發上具有很大優勢。IBM計劃利用納米隔膜開發水純凈系統，以便將空氣中的氧氣與水等物質隔離開來。納米結構方面的經驗還可以讓它將電池中的氧分配到每個電池單元中去，以便防止堵塞。現有的超級計算機則可以進行建模方面的研究，使單個離子能夠通過電池中的納米隔膜。IBM還建立了電池技術聯盟，該聯盟包括了美國五大國家實驗室以及一批大學，大約300名頂級科學家和電池專家參與研究。
在英國，蘇格蘭圣安德魯斯大學的研究小組正朝著制作適合手機和MP3使用的新型電池技術方向努力，彼得·布魯斯教授表示：“我們的突破在于把空氣中的氧氣當成反應物，而不是需要在電池內部將化學物移來移去。不僅這一過程沒有消耗成本，而且這其中的碳組成部分比現有電池技術更為廉價。”英國巴斯大學的塞夫爾·伊斯蘭教授也認為這項技術“前途無量”，新型鋰電池的進步，對于道路交通的電氣化來說意義重大，它可以幫助減少二氧化碳排放，而且對于下一代便攜式電子設備也意義非凡。
如何制造單位能更大、充電方式更方便、成本更低廉、使用更安全的電池一直都是關鍵的技術難題，要解決這些難題還需要不斷研究和試驗。不管各個機構、公司研究出來的鋰空氣電池技術如何出色，僅憑這些技術未必能使新型電池立即得以廣泛地使用。但是有更多的相關企業參與，基礎設施建設及技術革新就能更快地推進。在手機、筆記本以及汽車等載體的主導下，這一發展趨勢不斷加快，鋰空氣電池作為電池的首選暢銷于市場的日子也許很快就會到來。
