東京大學(xué)研究生院水野哲孝教授的研究小組與日本觸媒公司共同開發(fā)出了采用新原理的二次電池，在正極利用氧化物離子與過(guò)氧化物離子之間的氧化還原反應(yīng)。該研究小組查明，在正極利用在Li2O（氧化鋰）晶體內(nèi)添加Co（鈷）形成的物質(zhì)時(shí)，充放電反應(yīng)中就會(huì)有過(guò)氧化物生成和消失，由此實(shí)現(xiàn)了新原理的電池系統(tǒng)。這種電池的能源密度達(dá)到了現(xiàn)行鋰離子二次電池的7倍，而且還可增加容量，降低價(jià)格，提高安全性。有望作為EV（純電動(dòng)汽車）用途及固定蓄電用途的新一代二次電池。
　　通常鋰離子二次電池在正極使用的是LiCoO2（鋰鈷氧化物）等容易產(chǎn)生鋰離子嵌入/脫離的過(guò)渡金屬氧化物。由于是由分子量較大的過(guò)渡金屬來(lái)?yè)?dān)負(fù)氧化還原作用的，所以單位重量的能量密度及容量無(wú)法太大。而且鋰的價(jià)格也很高，因此還存在減少鋰的使用量以降低成本的要求。
　　而此次的新一代二次電池研究的是在正極利用O2（氧氣）分子的氧化還原反應(yīng)的鋰空氣電池，理論上可實(shí)現(xiàn)最大的能量密度。但這種電池也存在諸多問(wèn)題，比如放電反應(yīng)產(chǎn)生的Li2O2（過(guò)氧化鋰）等會(huì)導(dǎo)致正極阻塞；由于是開放結(jié)構(gòu)，因此空氣中的水分及CO2（二氧化碳）容易混入，造成電極和電解液劣化；反應(yīng)中生成的活性氧類物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致有機(jī)電解液不穩(wěn)定，等等。因此，一直未能真正投入實(shí)用。
　　此次東大和日本觸媒開發(fā)的電池在正極利用Li2O與Li2O2之間的氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極利用金屬鋰的氧化還原反應(yīng)，兩電極活性物質(zhì)的單位重量的理論容量為897mAh/g，電壓為2.87V，理論能量密度為2570Wh/kg。按兩電極活性物質(zhì)的單位重量計(jì)算，能量密度達(dá)到370Wh/kg，與使用LiCoO2正極和石墨負(fù)極的現(xiàn)行鋰離子二次電池相比，約為后者的7倍。這種新型電池的理論能量密度雖然不及鋰空氣電池的3460Wh/kg，但與目前的鋰離子二次電池一樣采用密閉結(jié)構(gòu)，因此可靠性及安全性出色。
　　此次，研究小組使用行星式球磨機(jī)在Li2O晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)添加了鈷，將其用作正極活性物質(zhì)。經(jīng)證實(shí)，使用這種正極可實(shí)現(xiàn)氧化物與過(guò)氧化物間的氧化還原反應(yīng)可逆的電池系統(tǒng)。同時(shí)還實(shí)施了過(guò)氧化物的定量分析，確認(rèn)充電反應(yīng)時(shí)正極中有過(guò)氧化物生成，放電反應(yīng)時(shí)正極中的過(guò)氧化物消失，而且這種反應(yīng)能夠反復(fù)發(fā)生。此外還確認(rèn)在能夠可逆充放電的范圍內(nèi)沒有O2及CO2產(chǎn)生，正極能夠?qū)崿F(xiàn)容量為200mAh/g的反復(fù)充放電，同時(shí)支持大電流快速充放電。另外，此次使用的正極與現(xiàn)行鋰離子二次電池使用的LiCoO2相比，鈷的重量比較小，有望降低原料成本。
 
　　“鋰空氣電池”成為世界各地實(shí)驗(yàn)室努力破解的技術(shù)
 
　　如果你有幸造訪美國(guó)加州像拉霍亞(La Jolla)這些超級(jí)富豪云集的地區(qū)，或者去到像芒廷維尤(Mountain View)這些高科技公司扎堆的地方，就有機(jī)會(huì)領(lǐng)略未來(lái)。
　　確切地說(shuō)，領(lǐng)略汽車業(yè)未來(lái)。特斯拉、日產(chǎn)聆風(fēng)和豐田普銳斯或類似的汽車，在路面上比比皆是。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車與普通燃油汽車在車流中交相輝映；許多企業(yè)、購(gòu)買中心和家庭也都安裝了充電樁。
    如果電動(dòng)汽車廠商們果真如愿以償，這就是我們?cè)谀硞�(gè)時(shí)段都會(huì)置身于其中的未來(lái);汽車廠商們正不惜投入巨資，讓這一幕成為現(xiàn)實(shí)。問(wèn)題是，將小片地區(qū)的需求變成全國(guó)地區(qū)的需求有多容易?
　　在加州另一處，埃隆·馬斯克(Elon Musk)創(chuàng)辦的特斯拉汽車公司(Tesla Motors)最近提議計(jì)劃，在尚未披露的美國(guó)西南地區(qū)新建一家巨型電池工廠(具體廠址成了熱議話題)。這個(gè)所謂的“千兆工廠”預(yù)計(jì)造價(jià)高達(dá)50億美元，定于2020年生產(chǎn)的鋰離子電池可滿足50萬(wàn)輛汽車的需求——年產(chǎn)量超過(guò)2013年全球年產(chǎn)量。
　　可是一些人士認(rèn)為，等到這家工廠破土開張，特斯拉的計(jì)劃到時(shí)似乎就過(guò)時(shí)了。IHS Automotive是領(lǐng)先的全球汽車業(yè)務(wù)情報(bào)提供商，該公司的高級(jí)規(guī)劃主管菲爾·戈特認(rèn)為 ， 特斯拉的宏偉計(jì)劃“恐怕考慮欠周”。原因是，正在研發(fā)的新技術(shù)有望提供更出色的替代技術(shù)，解決專家們所說(shuō)的電動(dòng)汽車面臨的最大阻礙因素之一。
　　電動(dòng)汽車面臨的這個(gè)問(wèn)題就是，電池又大又重；因而，安裝上去的電池?cái)?shù)量很有限。比如說(shuō)，特斯拉 Model S 的電池組平鋪在汽車地板上，大概長(zhǎng)2米、寬1.2米。在頂級(jí)配置車型中，電池組提供大約300 英里(482 公里)的行駛里程，之后就需要插入充電樁充電。日產(chǎn)聆風(fēng)充一次電可以跑 80 英里(128 公里)左右。除此之外，充電過(guò)程比起只需加油要慢得多。
　　那么，如何才能生產(chǎn)出性能更好的電池?從最基本層面來(lái)說(shuō)，電池含有正負(fù)極、隔板和電解質(zhì)。許多不同類型的材料可以用作電解質(zhì)，不同的材料組合讓電池可以貯存不同數(shù)量的能量。不過(guò)，要是材料發(fā)生變化，電池續(xù)航時(shí)間和安全特征也隨之變化，所以總是少不了折中辦法。鋰離子電池大行其道，但發(fā)生過(guò)鋰電池在飛機(jī)上短路起火的事件，因而攜帶受嚴(yán)格限制。任何活性更強(qiáng)或不穩(wěn)定的電池都有安全隱患。不過(guò)，如果設(shè)計(jì)出最佳的材料組合，有望獲得巨大回報(bào)。
　　在最近研究工作之前的數(shù)十年中，電池技術(shù)已得到了一系列改進(jìn)。
　　最先問(wèn)世的是鉛酸電池，這種電池今天仍然廣泛應(yīng)用于汽車，它們個(gè)頭龐大。接著出現(xiàn)了鎳鎘(NiCad)電池，這種可充電電池由此開啟了便攜式技術(shù)唱主角的新時(shí)代:筆記本電腦和手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，還有我們小時(shí)候的遙控汽車。再后來(lái)出現(xiàn)了鎳氫(NiMH)電池，電池容量或能量密度大概翻了一番�，F(xiàn)在，現(xiàn)代化的設(shè)備和電動(dòng)汽車普遍使用鋰離子(Li-ion)電池。
　　展望未來(lái)，準(zhǔn)備迎接名字越來(lái)越復(fù)雜的電池技術(shù)，比如鋰鎳錳鈷氧(LiNiMnCo)電池。這種材料的特性很復(fù)雜;眼下，研究人員致力于不僅搞清楚為何這些材料能工作，還要搞清楚如何工作——電子在材料中移動(dòng)的基本物理原理。
　　丹尼爾·亞伯拉罕(Daniel Abraham)是美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家，他說(shuō):“我們阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在研究一些材料，它們有望將電池當(dāng)前的能量密度提高一倍。我們先夢(mèng)想或設(shè)想想要處理的材料，然后努力在實(shí)驗(yàn)室合成材料。”
　　目前，備受矚目的幾種電池包括:鋰空氣電池(更確切地說(shuō)是鋰氧氣電池)和鋰硫電池。若能做到可以在各種條件下正常工作，鋰氧氣電池的性能有望比目前的鋰離子電池大幅提升，提高整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。亞伯拉罕說(shuō):“ 這是當(dāng)前一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域。”
　　的確，大眾汽車公司最近暗示，它在研究鋰空氣電池。由于開發(fā)工作還沒有最終完成，大眾采用的具體的化學(xué)/材料組合還沒有透露。這家公司的工程師們甚至不愿表示這項(xiàng)技術(shù)已在汽車中進(jìn)行了測(cè)試，還是仍處在“實(shí)驗(yàn)臺(tái)”階段。
　　不過(guò)，雖然這項(xiàng)技術(shù)有望帶來(lái)變革，但想要生產(chǎn)出工作起來(lái)持續(xù)、可靠、安全的鋰空氣電池，還面臨一大堆技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止，試驗(yàn)證明電極很不穩(wěn)定。
　　不過(guò)世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在努力破解這個(gè)難題，試圖克服種種缺點(diǎn)。但愿更重視這些“超鋰離子”技術(shù)，會(huì)確保研發(fā)過(guò)程加快，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，確保汽車跑得更快、跑得更遠(yuǎn)。 


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