附圖 : 鋰空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖 BigPic:600×365
根據(jù)ConsumerReport.org在2012年針對汽車品牌調(diào)查，有77%的受訪者對于電動(dòng)車有里程限制(Limited Range)的焦慮，42%的人則關(guān)心在充電過程中的安全性問題，這些問題都和電動(dòng)車的“心臟” – 電池有關(guān)系。盡管經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展，電池技術(shù)已比原先的效能高上幾倍，但仍然沒辦法滿足電動(dòng)車對更高能量密度的需求。
兩大電池技術(shù)遇瓶頸
在純電動(dòng)車中，主要使用兩種電池，分別是氫氣燃料電池和鋰離子電池。
燃料電池目前在市場中處于高不成低不就的尷尬狀態(tài)，臺(tái)灣大學(xué)材料所副教授趙基揚(yáng)指出，關(guān)鍵在于白金觸媒成本太高、質(zhì)子傳導(dǎo)膜的操作溫度被限制在低溫(< 80C)導(dǎo)致電池表現(xiàn)不佳、燃料儲(chǔ)存空間太大及氫氣的安全性疑慮等三大問題，使得燃料電池的發(fā)展受限。
在燃料電池遍尋不到突破點(diǎn)后，大家又回頭看鋰離子電池。相較于其他種類電池，鋰離子電池?fù)碛休^高的體積能量密度，在筆電、智慧手機(jī)、平板電腦等行動(dòng)裝置快速普及之下，鋰離子電池已成為生活中不可或缺的電力來源，甚至也是當(dāng)前電動(dòng)車電池的首選技術(shù)。
然而，隨著鋰離子電池廣泛被使用后，續(xù)航力和驅(qū)動(dòng)力成為電動(dòng)車使用鋰離子電池的最大問題。電動(dòng)車和3C產(chǎn)品耗電量差距過大，鋰離子電池必須有更高的容量和效能才能符合電動(dòng)車的需求。趙基揚(yáng)表示，鋰離子電池有先天的材料限制，其能量密度的成長空間已很有限了，即使做到理論上的最大能量密度，仍難以滿足電動(dòng)車在續(xù)航力上的需求。
鋰空氣電池成明日之星
鋰離子電池想提升容量，就會(huì)有產(chǎn)生過重的問題。于是有研究人員開始將鋰離子電池中不發(fā)電的石墨電極等傳統(tǒng)零件的比例降到最低，改用一整面的鋰金屬當(dāng)作陽極，并在陰極使用重量極輕的多孔碳材取代重金屬觸媒，將電池重量減到最輕，同時(shí)也減小體積，來提升能量密度。這正是目前備受關(guān)注的技術(shù) – 鋰空氣電池。
根據(jù)IBM“Battery 500”計(jì)劃指出，目前的鋰離子電池充滿電可讓電動(dòng)車行駛約100英哩，雖對于一個(gè)普通家庭來說已經(jīng)足夠，但是如要遠(yuǎn)程旅行，仍必須大幅提升續(xù)航力。
因此，IBM在2009年開始投入鋰空氣電池的研究，預(yù)計(jì)能將目前鋰離子電池的能量密度(~ 100 – 200 Wh/Kg)提升10倍，讓電動(dòng)車充電一次至少可行駛500英哩(約800公里)。以能量密度來計(jì)算，鋰空氣電池是最能夠取代汽油的電池種類，也因此，鋰空氣電池已成為電動(dòng)車電池的明日之星。
鋰空氣電池的發(fā)電原理是在陽極將鋰金屬氧化產(chǎn)生電子與鋰離子，電子供給外部電路電力，而鋰離子則經(jīng)由電池內(nèi)部的電解質(zhì)傳導(dǎo)至陰極，與空氣中的氧分子及外電路流入的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，形成完整的電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。由于空氣隨處可得，讓鋰空氣電池可做的更輕、更小，不必再擔(dān)心燃料儲(chǔ)存空間的問題。
美日作法大不同
而根據(jù)國情不同，各國對鋰空氣電池的充換也有不同的研究。以美國為例，由于美國土地較大，換電站或充電站距離遠(yuǎn)，不易隨時(shí)充換電，因此IBM研究主題專注于如何做出二次電池。
當(dāng)電池為二次電池時(shí)，重復(fù)充放電的效能及相關(guān)電池壽命與安全問題變成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporous membrane)吸附電解液做為分隔正負(fù)極的隔離膜(separator)的鋰二次電池在安全上最大的問題是充放電時(shí)，” dendrite”會(huì)成長并穿越多孔隔離膜間的空隙，當(dāng)正負(fù)極因dendrite成長而接觸了，將會(huì)使電池短路、迅速放熱，這正是時(shí)常聽到鋰二次電池爆炸的原因。而在需要大電流充放電的操作環(huán)境下的電動(dòng)車電池，這樣的問題會(huì)更顯嚴(yán)重。
為了解決這樣的問題，IBM不用多孔隔離膜的形式，而是改采純有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的形式以提高離子傳導(dǎo)度，另一方面則是在鋰金屬表面加上一層具有良好鋰離子傳導(dǎo)特性的氧化物來穩(wěn)定電極與電解液之間的接觸介面，以抑制dendrite的成長。然而，液態(tài)電池卻又有漏液的安全問題，很難兩全齊美。
此外，這樣的方式所面臨的問題是，鋰空氣電池在放電的過程中，固體反應(yīng)生成物 – 氧化鋰(Li2O)及過氧化鋰(Li2O2)并不溶解于有機(jī)電解液中，而會(huì)在正極堆積，導(dǎo)致空氣流量下降，這時(shí)電解液與空氣的接觸逐漸被阻斷，發(fā)電效能愈來愈低。因此，如何在放電后期維持一樣的發(fā)電效能是電極設(shè)計(jì)所需克服的難題。
和美國走不同路線的日本則是選擇換電池的方式。就像一般燃料電池燃料用完，更換氫氣或甲醇，日本的設(shè)計(jì)是鋰空氣電池沒電了，就將整顆電池?fù)Q掉，不需要花費(fèi)兩三個(gè)小時(shí)等待充電時(shí)間;而沒電的電池則由專門的工廠回收再生。
趙基揚(yáng)表示，這樣的方式和汽油車開車習(xí)慣較為相近，且日本使用的系統(tǒng)為有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)與水溶液電解質(zhì)的混合系統(tǒng)，在陽極與鋰金屬相接觸的電解質(zhì)為有機(jī)溶液相，而在陰極則使用電解質(zhì)水溶液，此兩種電解質(zhì)中間以一層可傳導(dǎo)鋰離子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在陰極由于鋰氧化物會(huì)被溶解在水溶液里，因此也較不會(huì)有電極孔洞被塞住，降低效能的問題。但鋰氧化物溶于水溶液后會(huì)產(chǎn)生鹼性物質(zhì)氫氧化鋰(LiOH)，而LISICON薄膜在鹼性環(huán)境下不穩(wěn)定，對長期操作的穩(wěn)定性是一大挑戰(zhàn)。
水分子易穿透 隔離膜擋不住
盡管美、日做法不同，但是同樣存在一個(gè)最大的瓶頸 – 水?？諝庵谐搜鯕庵?，還包含許多雜質(zhì)，其中最難排除的，就是水分子。鋰金屬穩(wěn)定度較差，容易和水產(chǎn)生反應(yīng)氧化，導(dǎo)致鋰金屬表面產(chǎn)生高電阻的鋰氧化物，而大幅降低電池的放電效率。
趙基揚(yáng)指出，為了阻隔空氣中的水分進(jìn)入電池中，一般的做法是在陰極的外層加上一層疏水的多孔膜材以使氧通過而不使水分子通過。然而此種方法的效果有限，原因在于阻氣膜是利用孔隙對不同大小分子的選擇性來做阻絕，但水分子體積卻比氧分子小，阻氣膜難以將水分子完全隔絕在外。
目前最好的辦法是將液態(tài)電解質(zhì)改為固態(tài)電解質(zhì)，其致密的膜材結(jié)構(gòu)一方面可以降低水分子穿透性，也能夠抑制dendrite成長，也不會(huì)有漏液問題產(chǎn)生，這些較為穩(wěn)定的特性能夠大幅提升安全性。
趙基揚(yáng)正帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行固態(tài)高分子電解質(zhì)的研究，但固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)度相較于液態(tài)差很多，因此其研究的挑戰(zhàn)在于如何提升其鋰離子的傳導(dǎo)特性。他指出，雖沒辦法讓固態(tài)電解質(zhì)傳導(dǎo)性超越液態(tài)，但是至少要接近。
當(dāng)然，有更多相關(guān)計(jì)劃在全球各地如火如荼地在進(jìn)行著，只是各自面臨不同的挑戰(zhàn)，要克服這些挑戰(zhàn)，一般預(yù)估鋰空氣電池至少還需要花上十年才能夠商品化。
