盤點(diǎn)新一代電池技術(shù)：石墨烯/鋰空氣電池等

　　鋰空氣電池

　　除了還原劑令人頭痛，氧化劑的選擇也沒有什么余地。如果不用過渡金屬，鹵素也顯然不行，那就只能選氧與硫。鋰空氣電池(鋰、氧)與鋰硫電池都有很多人研究，但進(jìn)展寥寥。除了IBM曾經(jīng)爆出過大新聞。

　　IBM旗下的 “電池500”項(xiàng)目，致力于使鋰空氣電池商用化。和目前商用的重金屬氧化物作為陰極的鋰電池不同，鋰空氣電池的負(fù)極是泡在有機(jī)電解液里面的碳棒，反應(yīng)物則是空氣中的氧氣。

　　這種反應(yīng)模式最大的優(yōu)點(diǎn)是無須自帶陰極氧化物，重量大大減輕，能量密度可以提升10倍，插電式電動(dòng)車依靠這種電池可以一次行駛800公里，超過傳統(tǒng)動(dòng)力車。不僅如此，鋰空氣電池也可以不進(jìn)行充電，直接更換正負(fù)極卡盒，算是一種新型的燃料電池。

　　既然使用空氣，該電池必須設(shè)計(jì)成開放系統(tǒng)，電極和電解質(zhì)都暴露在空氣中，這使得人們始終無法維持這兩者的穩(wěn)定性，被當(dāng)做陰極的碳棒會(huì)與電解質(zhì)產(chǎn)生各種意料之外的副反應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)極迅速劣化。無論 “鋅空”到“鋰空”，都被嚴(yán)厲地批判過。

　　空氣-鋰電池作用原理圖

　　日本旭化成公司(Asahi Kasei)和中央硝子公司(Central Glass)在分離膜和電解液方面為該小組提供支持。

　　該小組嘗試將碳棒換為昂貴的納米金陰極，將陰極反應(yīng)液換成更不容易參與陰極反應(yīng)的有機(jī)液體。并聲稱獲得“充放電高達(dá)數(shù)百次而性能下降不明顯”的鋰空氣電池。但距離商用化，仍然有“很長的路要走”。

　　為了避免負(fù)極產(chǎn)生枝晶，即鋰離子在負(fù)極表面無序生長，需要加強(qiáng)捕獲鋰離子的手段。微宏公司也聲稱采用“多孔復(fù)合碳”作為負(fù)極材料，比表面積是傳統(tǒng)石墨的20倍以上，使鋰離子穩(wěn)定快速地遷移。

　　石墨烯

　　既然電池的正負(fù)極表面材料和結(jié)構(gòu)大有講究，為什么不利用近來突飛猛進(jìn)的納米技術(shù)，用各種納米線、管、球、碗設(shè)計(jì)精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)呢?

　　石墨烯就是其中的大新聞。盡管人們普遍對此懷有疑慮，因?yàn)槁暦Q以石墨烯為原料的鋰電池能量密度高達(dá)600wh/kg，是傳統(tǒng)動(dòng)力鋰電池的5倍。一度有人將石墨烯技術(shù)當(dāng)做解決新能源車?yán)m(xù)航問題的終極方案?？上Вl也沒有在可控成本上復(fù)制試驗(yàn)室成果。

　　單層或者2層石墨烯確實(shí)很神奇：最薄、最堅(jiān)硬、最導(dǎo)熱、最導(dǎo)電，簡直就是上帝賦予的材料。但只是看上去很美。

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　　“接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克幾千元的售價(jià)，做成電池誰買?現(xiàn)在有公司聲稱將石墨烯的成本降低10倍，但仍然太貴。

　　即便不考慮成本，石墨烯很難分離到“完美”的1、2層，現(xiàn)有幾種方法分離出的石墨烯，充滿著官能團(tuán)和瑕疵，層數(shù)不一，電化學(xué)性能遠(yuǎn)不盡人意。

　　有人提出，像撒芝麻一樣，在導(dǎo)電劑中摻點(diǎn)石墨烯。但馬上就有唱反調(diào)的人站出來說，石墨烯做導(dǎo)電劑分散性，還不如廉價(jià)的碳家族兄弟。石墨烯很容易把從正極出發(fā)的鋰離子通道給堵死，反映到宏觀層面，就是這種電池充一兩次電之后就廢了。

　　石墨烯做負(fù)極，理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量，而硅做負(fù)極的理論容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不過人家。事實(shí)上如果只考慮能量密度的話，金屬錫更適合作為負(fù)極材料。但到現(xiàn)在為止也就索尼推出過“錫電池” (Sony nexelion 14430W1)。但是，錫電池的名氣遠(yuǎn)不如還未做出成品的石墨烯電池。

　　固態(tài)電池

　　電解液只為了電子有序遷移提供通路，本身并不能蓄能。如果沒有電解液，豈不能提高能量密度?能量載體的物質(zhì)密度，固體>液體>氣體。這是很容易理解的。

　　豐田在2010年展示出的固態(tài)電池技術(shù)

　　支持全固態(tài)電池的廠商聲稱，他們研發(fā)的對象規(guī)避了液態(tài)電池的種種弊端。作為技術(shù)關(guān)鍵，固態(tài)電池傳遞電荷的介質(zhì)(電介質(zhì))是各家電池公司的飯碗。盡管理論上可用氧化物、硫化物、氮化物作為固態(tài)電解質(zhì)材料，但無法實(shí)現(xiàn)液態(tài)電池那樣的傳導(dǎo)率。德國馬克思普朗克研究所開發(fā)的一種包含鋰、鍺、磷、硫的化合物，傳導(dǎo)率空前地高，但仍未能達(dá)到液態(tài)電池的水平。

　　所有固態(tài)電池廠家心知肚明的是，電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過高，致使固態(tài)電池的功率密度還很低。同時(shí)，制造電池(其實(shí)是固態(tài)電介質(zhì))成本還非常高，因此距離商業(yè)化還有很長的路要走。

　　作為新能源技術(shù)領(lǐng)頭羊的豐田存在同樣的苦惱。公司高管必須做出決定，選擇看起來靠譜的那一個(gè)技術(shù)方向。在2010年，豐田推出了續(xù)航力達(dá)1000公里的電動(dòng)車，用的就是固態(tài)電池技術(shù)。豐田還暢想在2020年將該技術(shù)商用化。但很快，豐田就將資金砸向氫燃料電池技術(shù)，圍繞氫制備和存儲(chǔ)，建立了龐大的專利群。豐田的宣傳機(jī)器轉(zhuǎn)而宣傳“美好氫時(shí)代”。

　　日本“超級電池”容量可達(dá)鋰離子電池7倍

　　豐田從電動(dòng)轉(zhuǎn)向“氫動(dòng)”，鑒于豐田的地位，此舉直接打擊了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)。一時(shí)間，幾乎所有廠家都本能地對固態(tài)電池持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)豐田莫名其轉(zhuǎn)向時(shí)，有些整車廠甚至還沒有搞清楚，固態(tài)電池的瓶頸到底在哪里。

　　曾得到巴斯夫和通用投資的創(chuàng)業(yè)公司Sakti3，聲稱研發(fā)出擁有1100WH/L的能量密度的固態(tài)電池--相當(dāng)于主流鋰電池的4倍。Sakti3預(yù)測，固態(tài)電池電池的成本將“很快”降低至100美元/千瓦時(shí)。

　　而豐田曾公開表示，“在克服技術(shù)障礙的前提下”，全固態(tài)電池在2025年可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，比鋰空氣電池早5年。但隨后豐田很快發(fā)現(xiàn)，“技術(shù)障礙”是如此地強(qiáng)大，足以阻礙固態(tài)電池的技術(shù)前進(jìn)腳步。豐田選擇了另一條道路，所謂的“2025年固態(tài)電池”再也沒有被提及。

　　5年內(nèi)新能源汽車未來的產(chǎn)值將達(dá)到整個(gè)汽車工業(yè)的10%。有明確商業(yè)價(jià)值的新一代電池，會(huì)誕生在我們已經(jīng)提到的這些技術(shù)方案之中嗎?這是一個(gè)大概率事件。畢竟選擇就那么幾樣。不過，新技術(shù)很可能賦予它們新面目和可靠的競爭力。