锂空气电池或颠覆未来 电动汽车、智能手机将获益

从口袋中的手机到公路上的汽车，几乎所有的东西只要带有电路都需要电池。在过去的几十年里，尽管科技产业的其它板块飞速发展，电池却进步缓慢。

　　在如今的交通、能源、基础设施等领域，电池不足已经成为最大的瓶颈。我们的能源需求还在不断增长，但我们可以携带、存储的能源却是有限的。智能手机很难续航一天，电动汽车充电一次的行驶里程比汽车和柴油汽车更短，从源头（比如太阳能面板）存储能源是一件相当困难的事。

　　我们非常需要在能源存储上取得突破，许多企业都在研发新技术，包括石油巨头。一旦成功，可能会就形成一个利润庞大的市场，可惜的是电池的化学特性存在限制，我们很难克服。

　　最大的问题在于能量密度：在特定体积和重量的存储单元内可以存储多少能源。1991年锂电池首次推出，它已经用在手机、汽车、其它可充电设备上，每千克大约可以存储电能150和250瓦时（Wh/kg）。为了更好地理解，我们可以类比一下，一台冰箱每天消耗1600瓦时电能，汽油存储的能量大约为每千克13000瓦时——比最好的锂电池多了50倍。

　　还有一些电池用其它金属或者元素来形成化学反应，比如硫磺或者硅，但是研究者很难提高能量密度，很难达到安全要求。

　　伦敦帝国学院戴森工程设计学院比利？吴（Billy Wu）认为：“你在盒子中装入的能源越多，它的危险系数就越高。安全是关键，热管理相当重要。如果电池的温度超过80摄氏度，组件就会开始分解，可能还会爆炸。”

　　咨询公司Freedonia Group、戴森、特斯拉、三星、松下、IBM最近对电池产业做过调查，预测整个电池市场的规模到了2019年将会达到1200亿美元。

　　特斯拉电动汽车充电一次可以开200-300英里（约322-483公里），它最近还进入到家庭电池市场。通过与松下合作，特斯拉投资50亿美元建设“Gigafactory”工厂。要将电动汽车推向大众市场，电池的大规模生产是一个关键因素。现有的特斯拉Model S定价大约58300英磅（约55.5万元），电池占了近五分之一。

　　许多人认为500英里是一个关键点，汽车或者柴油汽车装满一箱油平均可以开500英里（约805公里）左右。从2009年开始，IBM的Battery 500 Project项目就在开发锂空气电池，它的能量密度有可能达到汽油的水平，只是到目前为止商用产品仍然不见踪影。

　　锂空气（或者锂氧）电池从空气中“呼吸”氧气，用于形成化学反应，产生电能，现有的电池——比如锂电池——将氧化物存储在电池内部。正因如此，锂空气电池的能量密度才会大大提高，与汽油相当，从理论上讲锂空气电池的能量密度相当于目前锂电池的10倍。

　　德州达拉斯大学教授Kyeongjae Cho认为，锂空气电池有很大的希望。他说：“尽管全球许多集团都在积极研究，但希望并没有出现在现实生活中，我们的研究是一个激动人心的进步。”他的研究主要专注于锂空气电池的电解液催化剂，和传统的固态催化剂相比，使用可溶解的催化剂能够明显提升性能。Kyeongjae Cho表示：“希望我们的发现可以让研究恢复生机，为未来发展积累动能。”

　　据报道，Kyeongjae Cho研究的电池成本和重量只有当前电池的五分之一，锂空气电池可以让汽车充电一次开400英里（约644公里），让手机续航一周。但是据Kyeongjae Cho透露，要在实际应用中增加锂空气电池的容量有点难，虽然许多大企业和大学都在研究，但是结果远远不能让人满意。到目前为止，电池还存在效率低、倍率性能不佳、不稳定、存在多余化学反应等问题。

　　比利？吴说：“许多人都在谈论金属空气系统，它已经出现在水平线上，但是离商用还有20多年的距离。”

　　去年10月，戴森收购了Sakti3公司，它是一家专门研发固态电池的企业，固态电池的能量密度是锂电池的2倍。Sakti3使用固态聚合物作为电解质，充电的速度可以加快。

　　在消费领域之外，许多研究围绕能源供应展开。比利？吴称：“可再生能源存在一个问题，比如太阳能和风能，它们的能源是间断的，有时会带来很好的能源，有时会中断，免得电网负载过高。”

　　将能源存储在电池中也许可以解决供应问题。但就目前来看，要在大型电池组或者在家中存储这样的能源同样存在限制——和消费电子一样的限制。所有的商用电池公司能做的只有尽可能利用好锂电池电芯。

　　电池技术的突破终将到来，但时机尚未完全成熟。