IBM从7年前开端研讨金属-空气电池，其体现终究怎么？阻止量产的原因安在？
或许许多人都想不到，IBM很早就在开端研讨电池技能。2009年，IBM在加州圣何塞的阿尔马登研讨中心（IBM Almaden Research Center）开端了一项名为Battery 500的项目，方针是希望研讨出可以让电动车的续航路程到达800公里的电池。
本文两位作者Winfried W. Wilcke与Ho-Cheol Kim均来自于IBM阿尔马登研讨中心，前一位是纳米科技研讨负责人，后一位是该研讨中心能量贮存研讨组组长。
原文宣布在IEEE网站，由车云菌编译，两位作者一起叙述了金属-空气电池的长处、缺陷、在商业化征途上碰到的各项问题，以及是怎么处理的。
为什么要以800公里为方针呢？由于这个数值是大部分人对轿车续航路程的希望最高值，假如电动车的续航路程不能到达800公里，并且成天性被大多数人承受，那么电动车就少了遍及的或许。
所以，咱们将这个数值设定为咱们Battery 500项意图方针。这个项目从2009年就开端了，由阿尔马登研讨中心主导。尔后，IBM与来自欧洲、亚洲以及美国的许多商业伙伴、研讨院一起进行了这项研讨。
Battery 500项目依据金属-空气技能。比较于锂电池，金属-空气电池可以在单位质量内具有更多的能量。项目研讨至今，仍然还需求几年的时刻才可以商业化。可是经过这七年的试验来看，咱们足以以为：未来金属-空气电池在电动车上确有用武之地。
为什么叫金属-空气电池？
以锂-空气电池为例，要搞清楚这个问题，先来看看锂离子电池（即现在常见的锂电池）与锂空气电池的差异。
下图为锂离子电池在充放电时电池内部状况暗示。传统锂离子电池中，正极是碳，而负极则是由不同的过渡金属氧化物组成，比方钴、镍、锰等。两个电极都浸泡在溶有锂盐的电解液中。在充放电时，锂离子会从一个电极向别的一个电极移动。移动的方向依据依据电池状况的不同，充电或许放电，而不同。在充放电时，锂离子终究会嵌入到电极资料的原子层，因此终究电池的容量巨细取决于有多少资料可以包容锂离子，即由电极的体积与质量决议。
△锂离子电池充放电进程暗示
锂-空气电池有所不同。在金属-空气电池中，产生的是电气化学反响。在放电进程中，含有锂的正极开释出锂离子，锂离子向负极移动，并在负极外表与氧气产生反响，构成过氧化锂（Li2O2）。
锂离子、电子与氧气是在多孔碳构成的负极外表产生反响，由于化学反响并非产生在负极上，终究包容锂离子的并非是负极资料，因此电池的容量与负极资料的体积或质量并没有太大联系，只需有满足大的外表积即可。
也便是说，锂-空气电池的容量并不是由电极的体积与质量决议，而是电极的外表积。这便是为什么在锂空气电池中，质量很小的电极也可以贮存许多的能量，然后得到较高的能量密度。
△锂-空气电池充放电进程暗示
当然，除了能量密度之外，本钱也是一个很重要的考虑要素。电池的价格现在在200-300美元/千瓦时，假如按每千瓦时能跑5-6公里核算的话，800公里需求一个150千瓦时的电池，就需求3万-4.5万美元。而一辆宝马2系的轿车也只需求3.3万美元。所以，假如想要量产的话，每千瓦时的价格有必要下降到100美元以下。
锂-空气电池商业化要处理哪些问题？
单纯来看锂与氧气进行氧化复原反响时，理论上可以产生的最大能量密度是3460Wh/kg。抛开电池单元中不进行化学反响的那部分，终究可以到达的能量密度数值也很让人等待。当然，相同会遇到问题。
锂-空气电池的充电进程与惯例锂离子电池相似，只需在外部加压就可以完成。不同的是，锂空气电池中，当有外部电压时，过氧化锂的结构会损坏，复原成氧气与锂离子，锂离子回到正极。锂-空气电池与传统锂电池相同，充放电次数愈多，在电池内部产生的副作用就越大。这些副作用便是影响其量产甚至商业化的底子地点。
为了了解这些副作用对电池带来的影响，咱们运用研讨中心的电化学质谱仪，去准确丈量在每一次充放电循环中，耗费与产生的气体量。成果就发现了一个问题：锂-空气电池在充电进程中开释出的氧气比放电时耗费的氧气要少许多。（在试验中，大多运用干氧而不是空气。）
△IBM研讨中心的电化学质谱仪（来历：IBM）
在抱负的电池单元中，在放电进程中耗费的氧气与充电进程中开释的氧气质量是持平的。可是研讨发现氧气的开释量却变少了，这也便是意味着那些并没有开释的氧气很有或许是与电池单元中的部件进行了反响，比方说消融到电解液之中，电池在产生内部耗费。
在IBM坐落苏黎世的别的一个试验室中，咱们进行了新的试验，对这种自我损坏的化学反响进行了盯梢和核算机模仿。终究发现原因在于有机电解液上。然后咱们针对这个问题进行了研讨，在最新的电池单元中，运用了新的电解液之后，充电时，可以开释出放电时吸收的大部分氧气。别的，咱们也盯梢了在充放电时氢气与水的耗费与产生量，由于这两种物质的存在意味着在这个电池内部很有或许还存在至少一种自我耗费的化学反响。咱们现在的电池单元现已可以到达200次充放电循环，尽管这是让实践的充电进程远远小于理论最大值。
除了这个问题之外，咱们关于锂-空气电池的各个组件都有了一些关键性发现：
1.正极
与传统锂离子电池中的由石墨制成的正极不同，锂-空气电池中，含有锂的正极在充电进程中外表会产生一些改动，长出一些相似于苔藓或许树状结构，称之为树突（Dendrite）。这些树突是非常风险的，由于他们可以在正负极之间构成导电回路然后产生短路现象。
△锂-空气电池正极，在数十循环之后，外表产生树突结构
为了削减树突的产生，咱们运用了一种比较特别的阻隔膜。这种阻隔膜由一层包括许多纳米级小孔的资料组成，这些小孔满足小，并且在膜上均匀分布，可以答应锂离子经过，并且限制树突的产生。由于这套阻隔膜的存在，正极可以在几百次充电循环之后，外表仍然坚持滑润。而假如运用传统的阻隔膜，几回循环之后就会产生树突。假如运用一种含有导电离子的玻璃聚合物，作用会更好一些。
△锂-空气电池正极，运用纳米阻隔膜之后，外表坚持滑润
2.电解液
现在运用的电解液仍然会与氧气或许充放电循环中产生的其他化合物产生反响，然后被耗费。截止到现在为止，咱们还没有发现哪种溶剂可以满足安稳，以便于让锂-空气电池可以进入到商业化的阶段。
3.阴极
在充电进程中，锂离子或许与负极产生反响会产生硝酸锂。硝酸锂相同会与电解液产生反响，耗费电解液并产生二氧化碳。咱们在试验中，相同盯梢了硝酸锂的产生量，并采取了一些办法削减它的产生。不过，由于要求外加的充电电压有必要比电池的作业电压要高出至少700mV以上。过压会下降电池的充电功率。咱们曾试过将碳换成其他一些金属氧化物，成果并没有太大改动。
4.催化剂
关于是否要在金属空气电池中运用催化剂，赞成者与反对者现已展开了许屡次的争辩。运用催化剂可以显着削减过压状况的呈现，可是相同催化剂一般也会加快电解液的耗费。在咱们的理论研讨中产生，锂的氧化和复原反响中，活化能是很低的，因此，在锂-空气电池中，催化剂并非有必要。
5.空气的制备
尽管电池被叫做锂空气电池，可是实践上咱们运用的是干氧。着重「干」是由于只需求去掉空气中的水蒸气与二氧化碳的成分即可。而要在商业化的电池中大批量制备这样的空气，那么就需求一套满足简便高效安稳的空气净化体系。从这个视点考虑，锂-空气电池的实践运用最早或许是在公交车、货车以及其他一些大型车上，只要这些大型车才可以包容空气净化设备。
现在用于试验的电池单元尺度还很小，直径76mm、长13mm，远远不够用在电动车的规范。所以还需求做的一项很重要的作业便是怎么制造更大尺度的电池单元，并将许多电池单元打包封装成一个电池组，再配上一套电池办理体系。咱们也在测验一些不同的尺度，比方100×100mm的（100mm直径，100mm长）。
现在这一项目仍然停留在开始的关于资料和化学反响的基础科学阶段，好在得到的研讨成果是活跃的。在咱们的研讨中，现在可以到达的能量密度是锂的氧化复原反响15KWh/kg（运用原碳阴极，5700mAh×2.7V/g），到电池单元中的能量密度大概在800Wh/kg。
钠-空气电池：能量密度低，但胜在安稳
金属-空气电池中，可以运用的金属有许多，除了锂之外，还有钠和钾等。这些金属的逆向反响愈加简单，而相对来说更重一些的金属，比方镁、铝、锌、铁等现已被证明，很难完成再度充电，所以Battery 500项目终究挑选了研讨锂和钠两种金属。
钠-空气电池是别的一种很有意思的组合，尽管比较于锂-空气电池来说，或许到达的能量密度更低，可是它的优点在于愈加安稳。
之所以能量密度较低，是在于产生的化学反响不同。前面说到在锂-空气电池中，锂与氧气产生反响产生的是过氧化锂（Li2O2），可是钠-空气电池中，钠与氧气反响只运用了一个电子，产生的是超氧化钠NaO2，而不是过氧化钠Na2O2。比较较而言，钠-空气电池可以产生的能量密度从理论上来说就削减了一半，理论的能量密度上限是1100wh/kg。
但从别的一个方面来说，钠-空气电池的充电功率要比锂-空气电池更高，过压适当低，还不到20mV（锂为700mV）。有鉴于此，可以将电池单元的作业电压下降到3V，这样电池内部其他组件的自我耗费可以下降许多，比方说电解液。咱们经过试验对其进行了丈量，并得到了验证。这样的优点在于电池的安稳性适当高，在50次充放电循环之后，电池的容量几乎没有改动。
钠-空气电池的商用相同存在一些应战。比方，钠-空气电池在产生反响时耗费掉的氧气是锂-空气电池中的两倍，适当于可以产生相同功率的活塞发动机所需求的空气量。别的，钠金属的化学活性适当高，想必许多人都记住在高中课堂上化学教师做的演示，一小块钠扔进水里，就会产生剧烈的化学反响。
不过，锂是一种稀有金属，并且并不廉价。可是钠却是常见金属，本钱极低。相同尺度的钠-空气电池中资料的本钱还不到锂-空气电池中的非常之一。尽管从久远视点考虑，锂-空气 电池将会有更好的功能，可是归纳考虑安稳性与本钱，比能量相同不低的钠-空气电池将会是从现在的电池到未来的更好挑选。
