未来电动汽车的心脏——锂空气电池

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最近几年北京的雾霾天气越来越普遍,严重影响了人们正常的工作和生活,考虑到北京市区的工业企业不多,那么雾霾的主要来源就是成千上万的汽车所排放的尾气了。为了治理空气污染,北京市政府加强了电动汽车的推广,2014年的摇号新政为纯电动汽车单独安排了2万个号牌名额,并且在购车款方面提供了非常可观的政府补贴和减免税收政策。但是即使有如此优惠的政策,国产电动汽车的推广仍然是步履艰难,反而是外来者特斯拉通过豪华的设计和相当优异的续航表现抓住了高端用户的心,在北京的街道上大放异彩。为什么在电动汽车代替燃油汽车的道路上会如此荆棘漫漫呢?这一切都要从电动汽车的前世今生说起。

电动汽车的前世今生 

其实早在燃油汽车兴起之前,也就是十九世纪中叶到二十世纪初,机动车市场一直是电动汽车的天下。世界上的第一辆电动汽车于1859年被制造出来,驱动这辆车的动力来自于当时的“高科技”——铅酸电池。但是当内燃机的技术得到极大发展之后,燃油汽车逐渐占据了欧美的机动车市场份额,同时流水线技术的发明、石油开采技术的突破和加油站的迅速普及帮助燃油汽车在市场上迅速击败了电动车。

相比于燃油汽车,电动车在价格、充电时间、续航里程等方面都处于劣势。虽然电池技术在近两百年有了长足发展,从最初的伏打电池到燃料电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂金属电池等,但是却都没有帮助电动车赢回哪怕一点市场份额,电动车除了在几次石油危机的时候有些许起死回生的迹象之外,在几乎整个20世纪都被人们遗忘了。

在进入21世纪后,一直以来都存在的石油资源紧缺和环境污染问题越来越严重,但是除了零星几家车企坚持投入资金研发新能源电动车外,各国政府在这个方面并无多大兴趣。而2007-2008年的金融危机引发的全球经济大衰退促使各国政府开始寻找新的经济增长点,新能源产业进入了他们的视线,电动车也就此迎来了自它诞生以来最重要的一次发展机遇。

我们说这次电动车面临的发展机遇很重要不仅是因为政府的大力支持和投入,更因为锂离子电池技术经过20多年的发展,已经能够较好地为电动车提供动力——现在的电动车新贵 Tesla Model S凭借应用先进的锂离子电池技术和电源管理技术,一次充电续航里程能够达到400多公里,完全能与传统燃油汽车相比拟。但是并不是现在所有市面上的电动汽车都具有和特斯拉一样的续航里程,这主要和它们所采用的动力电池的技术有关。

什么是动力电池 

动力电池就是指专门装配在电动汽车上,为汽车提供动力的电池,目前市面上的电动汽车的动力电池大部分采用锂离子电池,根据所使用的正极材料的不同,主要有以下几类锂离子电池应用在电动汽车上:镍钴铝锂(NCA)电池、锰酸锂电池、镍钴锰酸(NCM)电池、磷酸铁锂电池,他们在能量密度、安全性、寿命、价格上各有优势。其中电池的能量密度是指单位体积或者单位质量的电池能够储存的能量,这个参数决定了电动汽车的续航里程。虽然这几种锂离子电池的能量密度各有不同,但基本上都在200 Wh/kg以下,而且特斯拉400公里的续航成绩也极大地依靠于优异的电源管理技术和较轻的车身,在较好的工况下面得到的。受限于材料体系,传统的锂离子电池难以在能量密度上有数量级的突破,因此人们必须为电动汽车寻找更合适的电池体系。在人们已经探索的各种新型电池体系中,锂空气电池因为具有极高的理论能量密度(>5000 Wh/kg),而受到越来越的的科研工作者和企业研究人员的关注。

什么是锂空气电池 

锂空气电池在构造上与传统的锂离子电池相类似,都是由正极、电解质(隔膜)、负极三大部分组成,所不同的是正极和负极所采用的材料不同。

负极:锂金属。其实采用锂金属作为二次电池的负极材料,在上世纪70年代开始就有研究和应用。但是在应用过程中发现,锂金属电池在循环过程中会在负极生成枝晶,枝晶会刺穿隔膜从而引发起火、爆炸等安全事故。1989年加拿大Moli能源公司生产的Li/Mo2发生起火事故,此次事故处理宣告Li/Mo2电池的终结之外还直接导致了锂金属二次电池研发的基本停滞。在那次事故随后的二十年,便是我们所熟知的锂离子电池大放异彩的故事。但是,锂金属作为负极材料所具有的极高的能量密度使人们始终没有放弃它,特别是人们开始探索更高能量密度的电池体系时,锂金属负极必将扮演一个重要的角色,而另其在二十多年前退出市场的安全问题,相信在科研人员的强力攻关和已经今非昔比的技术条件支持下,终将能够解决。

正极:锂空气电池的正极部分利用碳材料或导电材料作为反应媒介,空气中的氧气作为正极活性材料参与氧化还原反应,因此锂空气电池又被人们称为“会呼吸的电池”。整个锂空气电池在放电的时候,电池的正极导电媒介部分从外电路得到电子,把电子输送给氧气,氧气在得到电子的同时与来自电解质中的锂离子反应,最后生成氧化锂(Li2O)或过氧化锂(Li2O2);而负极中的金属锂,失去电子,变成锂离子,溶入电解质中,被上述过程中所描述的氧气得到。这种电池体系的能量密度是很高的。

为什么锂空气电池具有极高的能量密度 

以传统的锂离子电池体系为例,在放电过程中能够释放的能量是与在这个过程中传输并参与反应的锂离子数量成正比。传统的锂离子电池的锂元素来自于正极材料,而在正极材料中同时也含有比锂重得多的过渡金属元素,这样一来,单位质量的材料中含有的锂元素的量其实是非常有限的。

在锂空气电池中,采用氧气作为正极反应物质,由于氧气可以从空气中源源不断的获得,因此此类电池在放电过程中所能释放出的能量与氧气能够得到的锂离子的数量是成正比的,而在这类电池中,锂完全来自于负极的锂金属,而锂又是世界上最轻的金属。

也就是说,电池体系的能量和所含有锂的数量是有一定关系的。那么我们再将锂空气电池和锂离子电池比较一下,锂空气电池的负极采用最轻的锂金属,而且能够全部转化为能量,正极反应物质则是空气中的氧气,不需要预先储备在电池中;而目前普遍使用的锂离子电池的负极物质不能转化为能量,正极物质仅含有有限的锂,而且比较重。因此锂空气电池具有极高的能量密度也就不足为奇了,理论上,电池中锂金属越多,锂空气电池的能量也就越多。

锂空气电池的现状 

虽然锂空气电池超高的能量密度如此诱人,但是距离实际应用仍然面临着诸多问题。首先便是采用锂金属作为负极后,在循环过程中生成的枝晶可能带来安全性问题,这是任何锂金属二次电池都需要解决的。其次便是锂空气电池放电过程中氧气和锂离子反应生成的过氧化锂或者氧化锂在充电的时候难以分解,这导致了较低的能量效率。目前科研工作者的研究表明,这个低的能量效率并不是锂空电池体系本征的缺点,是可以通过设计正极的导电网络结构和引入催化剂等方法来解决的,并且越来越多的研究小组开始研究锂空气电池,各种创新性的突破成果不断涌现,相信在不久的将来,锂空气电池就能够在电动汽车上得到应用了。

展望 

除了锂空气电池外,各种其他的金属-空气电池体系也不断涌现,比如钠-空气电池、镁-空气电池、铝-空气电池等,每一种电池都有其优缺点,并且如果我们过度依赖某一项技术必然导致资源的极度紧缺(比如锂矿资源)和价格暴涨,所以我们认为,未来的电动汽车技术一定是百花齐放的,不仅仅只是锂离子电池或者金属空气电池的天下,我们需要做的就是对这些新涌现的技术报以理解和宽容的态度。