日本产业技术综合研究所近日发表新闻公报说，来自该所和日本学术振兴会的研究人员研发出一种新型锂－空气电池。这种无需充电的燃料电池将来有望为车辆提供动力。
　　迄今报告的锂－空气电池存在固体反应生成物氧化锂堆积到正极，阻碍电解液与空气接触，进而导致电池放电中止等问题。而研发的这种锂－空气电池解决了这一问题，大大提高了电池的放电性能。
　　研究人员在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液，两者之间用固体电解质隔离，防止两种电解液混合。中间的固体电解质只有锂离子能通过。新型锂－空气电池放电反应生成的固体物质不是氧化锂，而是易溶于水性电解液的氢氧化锂。这样就不会引起正极的碳孔被堵塞，从而解决了以往锂－空气电池固体反应生成物阻碍电解液与空气接触的问题。
　　在实验中，研究人员分别用碱性水溶性凝胶和碱性水溶液作正极的电解液，结果发现，这种新型锂－空气电池的放电性能都比以往该类型电池大幅提高，特别是如果用碱性水溶液作正极电解液，使电池在空气中以0.1安培／克的放电率放电，那么电池可连续放电20天。
　　这种新型锂－空气电池无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。正极生成的氢氧化锂可以从使用过的水性电解液中回收，再提炼出金属锂，金属锂则可再次作为燃料循环使用。公报说，这种新型锂－空气电池将来有望发展成“金属锂燃料电池”。

　　日本产业技术综合研究所发布的锂空气电池的设计构思是，只在金属锂的负极使用有机电解液，正极的空气级使用水性电解液。既可以用作充电电池也可用作燃料电池使用。
　　如果在负极的有机电解液和空气极的水性电解液之间，用只能通过锂离子的固体电解质隔开的话，可防止两电解液发生混合，而且能促进电池发生反应。这样，能够防止正极的固体反应生成物——氧化锂（Li2O）析出。
　　该电池通过放电反应生成的不是固体氧化锂（Li2O），而是易溶于水性电解液的氢氧化锂（LiOH），这样就不会引起空气极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。此外，配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。
　　负极采用金属锂条，负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质。正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合。
　　放电时电极反应如下:
　　（1）负极反应（Li→Li++e-）
　　金属锂以锂离子（Li+）的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子（Li+）穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。
　　（2）正极反应（O2+2H2O+4e-→4OH-）
　　通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子（OH-）。在正极的水性电解液中与锂离子（Li+）结合生成水溶性的氢氧化锂（LiOH）。
　　充电时电极反应如下:
　　（1）负极反应（Li++e-→Li）
　　通过导线供应电子，锂离子（Li+）由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。
　　（2）正极反应（4OH-→O2+2H2O+4e-）
　　反应生成氧。产生的电子供应给导线。
　　使用了此次新开发的碱性水性电解质凝胶的锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率放电时，放电容量约为9000mAh/g。另外，充电容量也约达到9600mAh/g。与此前报道的原锂空气电池的容量（700～3000mAh/g）相比，放电容量大幅提高。而使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶后，在空气中以0.1A/g的放电率放电时，可连续放电20天，放电容量约为50000mAh/g。
　　新的锂空气电池没电时也无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。这是一种新型燃料电池，名为“金属锂燃料电池”。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。

　　锂空气电池这是一种由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。
　　理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问题。
　　负极(金属锂)采用有机电解液，正极(空气)方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。
　　该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。
　　锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大幅上升的问题。
　　要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约6～7倍。因此，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。

　　大容量锂-空气电池并非新概念，至今都未普及原因是它存在致命缺陷，日本的研究院克服了这个困难，但要想实现商用，可能还需要10年。减碳，对于人类福祉来说，不是离谱的要求，但对于全球汽车业来说，却是一件困难的事情。
　　众所周知，锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等，目前也已经是下一代充电式混合动力车和电动车的理想之选。它比其它汽车电池的密度更高、电量更充足，但也更贵，受制于电池容量，充电后的行驶距离仍不够远。即将于2010年上市的雪佛兰Volt混合动力汽车如果仅仅使用电池，只能行驶40公里。尽管仍有改进的空间，但锂离子电池的潜力依然有限。普遍认为，要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约6～7倍。于是，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。虽然仍使用有机溶媒，但它却以全新的构成极大提高电池的能量密度。
　　锂-空气电池并非新概念。由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质，理论上正极的容量密度是无限的，可加大容量。另外，如果负极使用金属锂，理论容量会比锂离子充电电池提高一位数。但是，为什么锂-空气电池至今都未普及？原因是它存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂（Li2O）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。
　　2009年2月，日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长周豪慎和日本学术振兴会（JSPS）外籍特别研究员王永刚共同开发出了新构造的大容量锂空气电池。?他们通过将电解液分成两种来解决上述问题。在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质膜，将两者隔开。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。
　　负极用电解液组合使用的是含有锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒，但却限定了使用方法。正极用水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。在锂-空气电池中，由于放电反应生成的并非是固体的Li2O，而是容易溶解在水性电解液中的LiOH（氢氧化锂）。氧化锂在空气电极堆积后，不会导致工作停止。水及氮等也不会穿过固体电解质的隔壁，因此不存在与负极的锂金属发生反应的危险。而且，在充电时，如果配置充电专用的正极，还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。
　　实验证明，以0.1A/g的放电率进行放电时，放电容量约为9000mAh/g，而以前的锂-空气电池的放电容量仅为700～3000mAh/g，可以说实现了容量的大幅增加。另外，如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中以0.1A/g的放电率连续放电20天，其放电容量约为5万mAh/g（空气极的单位质量），比原来高一位数。由于金属锂电池的容量原本就比锂离子电池高一位数，因此该数值共比锂离子充电电池高两位数。
　　现在，由于水溶液的性能较高，而在易用性上凝胶更为出色，科学家们今后需要考虑决定究竟对这两者中的哪一个进行开发。了解到，这种技术还可考虑与单纯的充电电池不同的使用方法。如果不对电池进行充电，而是通过汽车底座更换正极的水性电解液，以卡盒等方式补给负极的金属锂，汽车便可实现无需充电等待时间，立即行驶。而且，通过回收用过的水性电解液，以电气方式重新生成金属锂，还可继续作为电池负极燃料循环使用，避免产生其他污染。锂-空气电池可以说是以金属锂为燃料的新型燃料电池。
　　科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要10年。

　　小电池，高科技
　　我们有必要先来了解一下电池技术的重要性，也许许多读者会这样认为，“一颗小小的电池算得了什么，没有必要去研究吧？”其实不然，电力一直都是我们生活中最重要的能源之一，而电池就是产生或存储它的一个重要的方式。IBM成立了一个Almaden实验室，它与龙头企业、研究所等机构合作开展研究锂和氧元素结合材料的电池技术。在此之前，笔记本电脑和手机电池的技术突破是在美国完成的，而现在，日本和韩国已经成为了电池技术的主导国家，IBM希望让电池技术的领导权由亚洲转向美国。
　　就如同美国依赖中东的石油一样，在汽车行业从传统的汽油动力汽车转向绿色的电动汽车发展之后，这个汽车大国并不想依赖于亚洲的汽车电池。因此美国企业担心会错失这个历史上最重要的技术变革机会以及其带来的市场。除了IBM，在过去5年，通用电气也投入1.5亿美元资助了新型电池的开发。就连芯片巨头Intel也欲投入电池的生产，Intel前CEO?Andy?Grove说道：“我们在上世纪70年代失去了电池技术的控制权。电池技术将决定未来，如果我们不迅速行动，我们将被韩国和日本甩在身后。”
　　由于众多企业的重视和研发，现有的电池技术不少，主流的就是锂离子电池，相信随意打开手机、数码相机、笔记本，我们都可以看到其中的锂电池，现有的电动汽车也多配备了锂离子电池。电池性能一般以单位重量的能来表示，锂离子电池在放电时的能为镍氢（Ni-MH）电池的两倍左右。但是，锂离子电池存在严重的局限性，就像笔记本出现过的着火事故一样，一旦锂离子电池存在内部短路就会导致过热、燃烧甚至爆炸等安全性问题。而且锂离子电池在寿命以及大能成本方面也存在难题。IBM的研究人员认为，锂元素结合氧气才是最有前途的电池技术，因为它能够提供相当于锂离子电池10倍的能。
　　不断进步的电池技术
　　一般手机或笔记本电脑中的普通锂电池，是由有机电解质的石墨（负电极）和锂氧化钴（正电极）组成。在充电时，锂离子离开正电极，而充电后，随着锂电池的放电使用，锂离子(Li+)渐渐回到正电极。电子(e-)在外部电路中流动，从而产生电能。要提高锂离子电池能和性能的一个主要因素是，嵌入电极的材料设计和合成以及其优化生产，其他因素包括电解质作用、隔层和电池设计与组装等。锂空气电池就是在正极上使用空气中的氧作为活性物质，因此理论上正极的能是无限的，可加大能。而负极使用了金属锂，理论能会比锂离子电池更高。
　　不过，最早研发出的锂空气电池没有普及的原因在于其存在着致命的缺陷，通过化学反应，在正极会堆积固体反应生成物——氧化锂（Li2O），它将使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。于是日本产业技术综合研究所发布了新的锂空气电池设计，只在金属锂的负极使用有机电解液，而在正极的空气一侧使用水性电解液，在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质隔膜，将两者隔开，这样便可防止电解液混合，并促进电池发生高效反应。
　　空气化学反应发电
　　新的锂空气电池在放电时，负极的金属锂以锂离子（Li+）的形式溶于含有锂盐的有机电解液，并将带负电的电子(e-)供应给导线。溶解的锂离子穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。正极通过导线得到电子，空气中的氧气(O2)和水(H2O)在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子（OH-）。在正极的水性电解液中与锂离子结合生成易溶于水性电解液的氢氧化锂（LiOH）。由于不是固体氧化锂，这样就不会引起空气正极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。
　　在充电时，负极通过电源导线得到电子，锂离子（Li+）由正极的水性电解液穿过中间的固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。正极反应生成氧，产生的电子供应给导线。此外，正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合，因此相比以前使用锂氧化钴正极的成本更低。而且锂空气电池还配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。
　　优势高达100倍
　　新型锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率进行放电时，放电能约为9000mAh/g。以前的锂空气电池的放电能仅为700～3000mAh/g，可以说实现了能的大幅增加。另外，充电能也达到约9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中连续放电20天，其放电能约为50000mAh/g，比原来约高10倍。由于锂空气电池的能量原本就比锂离子电池约高10倍，因此使用新技术后共比锂离子电池约高100倍。尽管水溶液性能较高，但凝胶的易用性更为出色，今后使用哪种材料就要厂家根据需要进行开发。
　　新结构的锂空气电池还在考虑与传统电池不同的使用方法，如果锂空气电池没电了也可以不必进行充电，只需要通过更换正极的水性电解液，以卡盒等方式补给负极的金属锂，就可以连续使用。基于这种新技术，笔记本、电动汽车便可无需充电等待时间，立即使用或行驶。而且通过回收用过的水性电解液中空气极生成的氢氧化锂，以化学反应的方式很容易重新生成金属锂，还可实现锂的反复使用，可以说这是一种以金属锂作为消耗物质的新型电池，理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。

　　虽然仍使用有机溶媒，但不同的是以全新的构成来提高电池的能量密度，这就是锂-空气电池。在这种尝试下，日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会开发出了新结构的锂-空气电池。
　　锂—空气电池的概念很早就提出来了。由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质，因此理论上正极的容量密度是无限的，可加大容量。另外，如果负极使用金属锂，理论容量会比锂离子充电电池提高一位数。
　　不过，锂-空气电池至今都未普及。原因是存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂（Li2O）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。
　　日本产综研通过将电解液分成两种解决了这一问题。在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质膜，将两者隔开。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。
　　负极采用金属锂条。负极用电解液组合使用的是含有锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒，但却限定了使用方法。正极用水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。
　　在该电池中，由放电反应生成的并非是固体的Li2O，而是容易溶解在水性电解液中的LiOH（氢氧化锂）。因此，氧化锂在空气电极堆积后，不会导致工作停止。另外，水及氮等也不会穿过固体电解质的隔壁，因此不存在与负极的锂金属发生反应的危险。而且，在充电时，如果配置充电专用的正极，还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。
　　以0.1A/g的放电率进行放电时，放电容量约为9000mAh/g。以前的锂-空气电池的放电容量仅为700～3000mAh/g，可以说实现了容量的大幅增加。
　　另外，如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中以0.1A/g的放电率连续放电20天，其放电容量约为5万mAh/g，比原来高一位数。由于金属锂电池的容量原本就比锂离子电池高一位数，因此该数值共比锂离子充电电池高两位数。水溶液的性能较高，但在易用性上凝胶更为出色。今后需要考虑对这两者中的哪一个进行开发。
　　这种技术还可考虑与单纯的充电电池不同的使用方法。如果不对电池进行充电，而是通过底座更换正极的水性电解液，以卡盒等方式补给负极的金属锂，汽车便可无需充电等待时间，立即行驶。通过回收用过的水性电解液，以电气方式重新生成金属锂，还可实现锂的反复使用。可以说是以金属锂为燃料的新型燃料电池。

　　技联网www.tvanet.cn报道，美国西北太平洋国家实验室（PNNL）的研究团队利用新途径，构建出了可用于锂空气电池的多孔分层石墨烯。这种基于气泡构建的石墨烯结构的形态与破损的蛋壳相似，可大大提高锂空气电池的储能容量，未来有望取代应用于电动汽车的传统光滑石墨烯片，解决普通石墨烯在使用中易被微粒阻塞的困扰。
　　科研人员表示，自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域。此外，新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。
　　锂空气电池可支持远程电动汽车，虽然自身重量很轻，但其应用仍受限于实际的储能容量和较差的循环寿命。此次研究展示了如何实现电池容量的化。材料学家表示，这对于电动汽车和能量存储领域的应用十分关键。
　　锂空气电池成明日之星
　　锂离子电池想提升容量，就会有产生过重的问题。于是有研究人员开始将锂离子电池中不发电的石墨电极等传统零件的比例降到，改用一整面的锂金属当作阳极，并在阴极使用重量极轻的多孔碳材取代重金属触媒，将电池重量减到最轻，同时也减小体积，来提升能量密度。这正是目前备受关注的技术–锂空气电池。
　　根据IBM“Battery500”计划指出，目前的锂离子电池充满电可让电动车行驶约100英哩，虽对于一个普通家庭来说已经足够，但是如要远程旅行，仍必须大幅提升续航力。
　　因此，IBM在2009年开始投入锂空气电池的研究，预计能将目前锂离子电池的能量密度(~100–200Wh/Kg)提升10倍，让电动车充电一次至少可行驶500英哩(约800公里)。以能量密度来计算，锂空气电池是最能够取代汽油的电池种类，也因此，锂空气电池已成为电动车电池的明日之星。
　　锂空气电池的发电原理是在阳极将锂金属氧化产生电子与锂离子，电子供给外部电路电力，而锂离子则经由电池内部的电解质传导至阴极，与空气中的氧分子及外电路流入的电子进行还原反应，形成完整的电化学反应，从而产生电能。由于空气随处可得，让锂空气电池可做的更轻、更小，不必再担心燃料储存空间的问题。
　　美日作法大不同
　　而根据国情不同，各国对锂空气电池的充换也有不同的研究。以美国为例，由于美国土地较大，换电站或充电站距离远，不易随时充换电，因此IBM研究主题专注于如何做出二次电池。
　　当电池为二次电池时，重复充放电的效能及相关电池寿命与安全问题变成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporousmembrane)吸附电解液做为分隔正负极的隔离膜(separator)的锂二次电池在安全上的问题是充放电时，”dendrite”会成长并穿越多孔隔离膜间的空隙，当正负极因dendrite成长而接触了，将会使电池短路、迅速放热，这正是时常听到锂二次电池爆炸的原因。而在需要大电流充放电的操作环境下的电动车电池，这样的问题会更显严重。
　　为了解决这样的问题，IBM不用多孔隔离膜的形式，而是改采纯有机液态电解质的形式以提高离子传导度，另一方面则是在锂金属表面加上一层具有良好锂离子传导特性的氧化物来稳定电极与电解液之间的接触介面，以抑制dendrite的成长。然而，液态电池却又有漏液的安全问题，很难两全齐美。
　　此外，这样的方式所面临的问题是，锂空气电池在放电的过程中，固体反应生成物–氧化锂(Li2O)及过氧化锂(Li2O2)并不溶解于有机电解液中，而会在正极堆积，导致空气流量下降，这时电解液与空气的接触逐渐被阻断，发电效能愈来愈低。因此，如何在放电后期维持一样的发电效能是电极设计所需克服的难题。
　　和美国走不同路线的日本则是选择换电池的方式。就像一般燃料电池燃料用完，更换氢气或甲醇，日本的设计是锂空气电池没电了，就将整颗电池换掉，不需要花费两三个小时等待充电时间;而没电的电池则由专门的工厂回收再生。
　　赵基扬表示，这样的方式和汽油车开车习惯较为相近，且日本使用的系统为有机液态电解质与水溶液电解质的混合系统，在阳极与锂金属相接触的电解质为有机溶液相，而在阴极则使用电解质水溶液，此两种电解质中间以一层可传导锂离子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在阴极由于锂氧化物会被溶解在水溶液里，因此也较不会有电极孔洞被塞住，降低效能的问题。但锂氧化物溶于水溶液后会产生硷性物质氢氧化锂(LiOH)，而LISICON薄膜在硷性环境下不稳定，对长期操作的稳定性是一大挑战。
　　水分子易穿透 隔离膜挡不住
　　尽管美、日做法不同，但是同样存在一个的瓶颈–水。空气中除了氧气之外，还包含许多杂质，其中最难排除的，就是水分子。锂金属稳定度较差，容易和水产生反应氧化，导致锂金属表面产生高电阻的锂氧化物，而大幅降低电池的放电效率。
　　赵基扬指出，为了阻隔空气中的水分进入电池中，一般的做法是在阴极的外层加上一层疏水的多孔膜材以使氧通过而不使水分子通过。然而此种方法的效果有限，原因在于阻气膜是利用孔隙对不同大小分子的选择性来做阻绝，但水分子体积却比氧分子小，阻气膜难以将水分子完全隔绝在外。
　　目前的办法是将液态电解质改为固态电解质，其致密的膜材结构一方面可以降低水分子穿透性，也能够抑制dendrite成长，也不会有漏液问题产生，这些较为稳定的特性能够大幅提升安全性。
　　赵基扬正带领其研究团队在进行固态高分子电解质的研究，但固态电解质的离子传导度相较于液态差很多，因此其研究的挑战在于如何提升其锂离子的传导特性。他指出，虽没办法让固态电解质传导性超越液态，但是至少要接近。
　　当然，有更多相关计划在全球各地如火如荼地在进行着，只是各自面临不同的挑战，要克服这些挑战，一般预估锂空气电池至少还需要花上十年才能够商品化。