后鋰電池時代的突破點

1910年，愛迪生曾說過，在未來15年內(nèi)，電動車將會用掉比電燈更多的電力。而愛迪生也在那時一直致力于電動車電池的研究，希望能夠達到更高的發(fā)電效能。如今，愛迪生的預(yù)言早已被證實并不準(zhǔn)確，且在經(jīng)過一百年的發(fā)展后，電池仍然是電動車始終跨不過去的瓶頸。

根據(jù)ConsumerReport.org在2012年針對汽車品牌調(diào)查，有77%的受訪者對于電動車有里程限制(Limited Range)的焦慮，42%的人則關(guān)心在充電過程中的安全性問題，這些問題都和電動車的“心臟” - 電池有關(guān)系。盡管經(jīng)過長時間發(fā)展，電池技術(shù)已比原先的效能高上幾倍，但仍然沒辦法滿足電動車對更高能量密度的需求。

兩大電池技術(shù)遇瓶頸

在純電動車中，主要使用兩種電池，分別是氫氣燃料電池和鋰離子電池。

燃料電池目前在市場中處于高不成低不就的尷尬狀態(tài)，臺灣大學(xué)材料所副教授趙基揚指出，關(guān)鍵在于白金觸媒成本太高、質(zhì)子傳導(dǎo)膜的操作溫度被限制在低溫( 80C)導(dǎo)致電池表現(xiàn)不佳、燃料儲存空間太大及氫氣的安全性疑慮等三大問題，使得燃料電池的發(fā)展受限。

在燃料電池遍尋不到突破點后，大家又回頭看鋰離子電池。相較于其他種類電池，鋰離子電池擁有較高的體積能量密度，在筆電、智慧手機、平板電腦等行動裝置快速普及之下，鋰離子電池已成為生活中不可或缺的電力來源，甚至也是當(dāng)前電動車電池的首選技術(shù)。

然而，隨著鋰離子電池廣泛被使用后，續(xù)航力和驅(qū)動力成為電動車使用鋰離子電池的最大問題。電動車和3C產(chǎn)品耗電量差距過大，鋰離子電池必須有更高的容量和效能才能符合電動車的需求。趙基揚表示，鋰離子電池有先天的材料限制，其能量密度的成長空間已很有限了，即使做到理論上的最大能量密度，仍難以滿足電動車在續(xù)航力上的需求。

鋰離子電池想提升容量，就會有產(chǎn)生過重的問題。于是有研究人員開始將鋰離子電池中不發(fā)電的石墨電極等傳統(tǒng)零件的比例降到最低，改用一整面的鋰金屬當(dāng)作陽極，并在陰極使用重量極輕的多孔碳材取代重金屬觸媒，將電池重量減到最輕，同時也減小體積，來提升能量密度。這正是目前備受關(guān)注的技術(shù) - 鋰空氣電池。

根據(jù)IBM“Battery 500”計劃指出，目前的鋰離子電池充滿電可讓電動車行駛約100英哩，雖對于一個普通家庭來說已經(jīng)足夠，但是如要遠(yuǎn)程旅行，仍必須大幅提升續(xù)航力。

因此，IBM在2009年開始投入鋰空氣電池的研究，預(yù)計能將目前鋰離子電池的能量密度(~ 100 – 200 Wh/Kg)提升10倍，讓電動車充電一次至少可行駛500英哩(約800公里)。以能量密度來計算，鋰空氣電池是最能夠取代汽油的電池種類，也因此，鋰空氣電池已成為電動車電池的明日之星。

鋰空氣電池的發(fā)電原理是在陽極將鋰金屬氧化產(chǎn)生電子與鋰離子，電子供給外部電路電力，而鋰離子則經(jīng)由電池內(nèi)部的電解質(zhì)傳導(dǎo)至陰極，與空氣中的氧分子及外電路流入的電子進行還原反應(yīng)，形成完整的電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。由于空氣隨處可得，讓鋰空氣電池可做的更輕、更小，不必再擔(dān)心燃料儲存空間的問題。

目前最好的辦法是將液態(tài)電解質(zhì)改為固態(tài)電解質(zhì)，其致密的膜材結(jié)構(gòu)一方面可以降低水分子穿透性，也能夠抑制dendrite成長，也不會有漏液問題產(chǎn)生，這些較為穩(wěn)定的特性能夠大幅提升安全性。

趙基揚正帶領(lǐng)其研究團隊在進行固態(tài)高分子電解質(zhì)的研究，但固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)度相較于液態(tài)差很多，因此其研究的挑戰(zhàn)在于如何提升其鋰離子的傳導(dǎo)特性。他指出，雖沒辦法讓固態(tài)電解質(zhì)傳導(dǎo)性超越液態(tài)，但是至少要接近。

當(dāng)然，有更多相關(guān)計劃在全球各地如火如荼地在進行著，只是各自面臨不同的挑戰(zhàn)，要克服這些挑戰(zhàn)，一般預(yù)估鋰空氣電池至少還需要花上十年才能夠商品化。