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yexuqing

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[交流] 【专题】探寻“锂离子充电电池之后的新电池”

探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(一)：让能量密度达到“7倍”
2009/11/05 00:00
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探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(点击放大)　　与现有锂离子充电电池相比，重量能量密度提高约7倍，成本降至1/40。这是日本经济产业省提出的电动汽车（EV）用电池的性能目标。
　　这是在日本经济产业省2006年8月的研究会上发表的《对新一代汽车电池的建议》报告中提出的2030年目标值。报告发表已有3年，作为电池发展的路线图，至今依然受到重视。
　　“7倍”的能量密度的确很有必要。从2009年推出的EV来看，在持续行驶距离上，三菱汽车的“i MiEV”为160km，富士重工业的“斯巴鲁插电式STELLA”为80km。按照“在城市内使用”的预期，在EV刚刚开始导入的2009年，这样的性能还算说得过去。但今后要想整体取代汽油车的话，这样的性能明显实力不足。
让能量密度达到“7倍”
　　能量密度提高至目前“7倍”的电池，至少不会是现在的锂离子充电电池。只要使用的是LiC6（嵌锂石墨）负极、LiCoO2（钴酸锂）或LiMn2O4（锰酸锂）正极，以及电解质（有机溶媒）这样的“三角组合”，无论怎么改进，都摆脱不了材料本身的束缚。上述三类材料均存在理论上的极限，所以性能无望获得飞跃性提高。
　　为了突破这一障碍，开发超越锂离子充电电池极限的电池的有关研究正在推进之中。目的是打破三角组合中的一角，使性能大幅提高。具体的做法包括使用离子液体的锂离子充电电池、全固体型锂离子充电电池，以及锂-空气电池等。
　　目前，开发上述电池的有日本大阪府立大学、关西大学、产业技术综合研究所、电力中央研究所等研究机构。企业还不是主角。
　　不过，有众多汽车厂商向这些研究机构发出了合作意向。其中，丰田汽车宣布，已经着手与大阪府立大学展开共同研究。
　　在目前的锂离子充电电池中，种种问题的根源均来自电解质使用的有机溶媒。有机溶媒容易着火或泄漏。虽然锂本身着火的话也很危险，但有机溶媒有可能引发大事故。
　　另外，只要有溶媒存在，就会“稀释”电解质。而进行工作的是离子，因此多余的溶媒会给工作造成障碍，从而拖累性能指标，使能量密度难以达到“7倍”。（未完待续，记者：滨田基彦）

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1楼2009-11-05 08:53:00

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yexuqing

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探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(四)：锂-空气电池首次实用化

探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(四)：锂-空气电池首次实用化
2009/11/10 00:00
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上接本站报道：
探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(三)：找到了可用作电解质的“盐”
探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(二)：用离子液体让电池工作
探寻“锂离子充电电池之后的新电池”(一)：让能量密度达到“7倍”
锂-空气电池首次实用化

图7：原来的锂-空气（氧）电池的原理图显蓝色的反应生成物会阻塞催化剂(点击放大)　　另外，业内还进行了其他尝试，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了出来（图7）。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（图8）。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。

图8：新结构的锂-空气电池的结构左为放电，右为充电。追加了隔开左右的膜。(点击放大)
　　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（图9）。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。

图9：新结构锂-空气电池的长时间连续放电曲线放电容量约为5万mAh/g，是比原来的锂-空气电池高一位数。(点击放大)
　　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（图10）。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。（记者：滨田基彦）