文·圖/沈臻懿

新能源車(chē)發(fā)展的電池技術(shù)瓶頸

如今，街面上行駛的車(chē)輛中，有不少是配有綠色車(chē)牌的新能源車(chē)。伴隨新能源車(chē)市場(chǎng)如火如荼地發(fā)展壯大，映入眼簾的是其承載的應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)等諸多期許。作為更適合地球能源結(jié)構(gòu)的新能源車(chē)，它帶動(dòng)了全球汽車(chē)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新浪潮。

從新能源車(chē)的名稱(chēng)上即可看出，其是以非傳統(tǒng)車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)?？v觀(guān)當(dāng)今汽車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)，多數(shù)新能源車(chē)均采用純電動(dòng)或以電動(dòng)為主、其他方式為輔的動(dòng)力提供模式，這也使得電池技術(shù)成了新能源車(chē)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

隨著市場(chǎng)導(dǎo)入率和保有量的持續(xù)提升，新能源車(chē)的發(fā)展已進(jìn)入關(guān)鍵期。與此同時(shí)，基于諸如電池性能、充電以及續(xù)航里程等方面的問(wèn)題，部分消費(fèi)者對(duì)入手新能源車(chē)仍處于觀(guān)望狀態(tài)。以某品牌的一款中大型SUV（運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)）為例，其傳統(tǒng)燃油車(chē)的油耗測(cè)試數(shù)據(jù)為每百公里7.86升，油箱容積73升，加滿(mǎn)一次油即可實(shí)現(xiàn)900公里以上的續(xù)航里程。而其近似款的純電動(dòng)車(chē)，純電續(xù)航測(cè)試數(shù)據(jù)則在520公里至560公里之間。兩者相比，差距明顯，也折射出新能源車(chē)發(fā)展瓶頸。

不可否認(rèn)，鋰離子電池是迄今為止最為成功的一種充電電池，無(wú)論是充電抑或放電，它都需要依靠鋰離子（Li+）在正負(fù)電極之間的嵌入與脫嵌以形成電流。為了實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的良好轉(zhuǎn)化，鋰離子電池的負(fù)極通常為石墨材料，正極則為鋰的某一化合物。以當(dāng)前較為流行的三元聚合物鋰電池來(lái)說(shuō)，正極材料中除了鋰元素之外，還需要鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）三種金屬元素來(lái)共同組成化合物鎳鈷錳酸鋰。

鎳、鈷、錳的質(zhì)量，要比金屬鋰大得多。這就導(dǎo)致為了攜帶1個(gè)單位正電荷的鋰離子，需要在正極配備相對(duì)分子質(zhì)量大上百余倍的化合物予以“收納”。加之負(fù)極材料與其他結(jié)構(gòu)所累加的總質(zhì)量，直接限制了鋰離子電池的能量密度（電量體積容量比）。這就是為什么攜帶了將近500公斤鋰離子電池的純電動(dòng)汽車(chē)，續(xù)航里程數(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上一臺(tái)加了數(shù)十升汽油的傳統(tǒng)燃油車(chē)。

從“鋰離子電池”到“鋰空氣電池”

近年來(lái)，為了突破新能源車(chē)的續(xù)航瓶頸，研究人員試圖對(duì)鋰離子電池的能量密度予以?xún)?yōu)化。就三元聚合物鋰電池而言，其比早先出現(xiàn)的磷酸鐵鋰電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏纫约案玫哪偷蜏匦阅?，有助于提升鋰離子電池的續(xù)航能力。即便如此，當(dāng)前鋰離子電池的續(xù)航上升空間也極為有限。換言之，該技術(shù)已接近自身的“物理天花板”。造成這一瓶頸的根本原因在于鋰離子電池存在理論上的儲(chǔ)能極限。

令人感到欣喜的是，新能源汽車(chē)領(lǐng)域中，鋰空氣電池技術(shù)或許可以成為突破新能源車(chē)?yán)m(xù)航瓶頸問(wèn)題的密鑰。鋰空氣電池和鋰離子電池的名稱(chēng)雖然較為相近，但兩者屬于完全不同的體系，其工作原理也大相徑庭。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鋰空氣電池技術(shù)就是將鋰與空氣中的氧氣反應(yīng)所形成的能量，直接轉(zhuǎn)化為電能。這一過(guò)程，就如同人類(lèi)最為普遍的獲取能源方式——將原料同氧氣直接反應(yīng)，進(jìn)而獲得高度能量的釋放。

與鋰離子電池技術(shù)需要依賴(lài)于鋰的化合物和石墨來(lái)作為正負(fù)電極不同的是，理想狀態(tài)下的鋰空氣電池完全不需要鎳、鈷、錳、鐵、碳等相對(duì)原子質(zhì)量較大的元素介入，只需要直接使用空氣中的氧氣和單質(zhì)鋰金屬作為正負(fù)電極即可。電池放電時(shí)，從外界獲取的氧氣與電池中的鋰單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成過(guò)氧化鋰，并在外電路中產(chǎn)生電流；充電時(shí)，則通過(guò)化學(xué)反應(yīng)令過(guò)氧化鋰分解為氧氣和鋰后，氧氣重新釋放回空氣中。

鑒于鋰是化學(xué)元素周期表中質(zhì)量最輕的金屬元素，電池正極則使用了重量幾乎可忽略不計(jì)的空氣，且電池工作中都無(wú)須質(zhì)量較大的元素參與，這就使得鋰空氣電池的理論能量密度在電化學(xué)電池中擁有近乎王者一般的地位。單位質(zhì)量下的鋰空氣電池所存儲(chǔ)并釋放的能量，遠(yuǎn)超出其他電化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)。據(jù)研究測(cè)算，鋰空氣電池的理論能量密度可達(dá)每千克12千瓦時(shí)，相當(dāng)于現(xiàn)有鋰離子電池能量密度的十倍左右，甚至已接近于汽油能量的每千克13千瓦時(shí)。單從前述數(shù)據(jù)來(lái)分析，如果鋰空氣電池最終得以進(jìn)入市場(chǎng)，就可一舉打破鋰離子電池因能量密度較低的短板而帶來(lái)的續(xù)航里程瓶頸。未來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)便可擁有與燃油汽車(chē)同級(jí)別的續(xù)航能力。

“呼吸式鋰空氣電池”的瓶頸突破與挑戰(zhàn)

正如上文所述，理想狀態(tài)下的這種“呼吸式鋰空氣電池”可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油車(chē)相媲美的續(xù)航里程。然而，要想真正達(dá)成上述構(gòu)想，并非一件容易之事。

我們知道，空氣中除了氧氣之外，還有大量的氮?dú)庖约岸趸?、水蒸氣等組分。鋰空氣電池的正極為空氣，實(shí)則依賴(lài)于純氧條件。若將這種“呼吸式鋰空氣電池”的工作環(huán)境限定在純氧環(huán)境，就要同時(shí)配置諸如氧氣瓶等存儲(chǔ)裝置。如此一來(lái)，鋰空氣電池原本的高能量密度又會(huì)因?yàn)轭~外負(fù)擔(dān)的儲(chǔ)氧設(shè)備而被大幅度削減。為了解決鋰空氣電池這一技術(shù)短板，研究人員嘗試了各種辦法來(lái)阻止鋰空氣電池在“呼吸”時(shí)所吸入的氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣等化學(xué)物質(zhì)參與的副反應(yīng)。經(jīng)研究測(cè)試，一項(xiàng)為金屬鋰電極增加防護(hù)層的技術(shù)受到了重點(diǎn)關(guān)注。具體來(lái)說(shuō)，即在“呼吸式電池”的負(fù)極增加一層致密的保護(hù)涂層。其能夠防止除鋰離子以外的其他化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入，以保護(hù)金屬鋰電極不會(huì)受到空氣中氧氣以外的其他組分干擾。此外，這層致密的保護(hù)涂層也不會(huì)和空氣中的水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)。換言之，防護(hù)層并不會(huì)參與“呼吸式電池”的化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)遭到破壞。研究人員的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在這一防護(hù)層技術(shù)的介入下，鋰空氣電池經(jīng)過(guò)700次的充電放電循環(huán)后，仍能正常工作。這一數(shù)據(jù)結(jié)果，甚至可與部分成熟的商用電池循環(huán)壽命相提并論。