盤點新一代電池技術：石墨烯/鋰空氣電池等

　　鋰空氣電池

　　除了還原劑令人頭痛，氧化劑的選擇也沒有什么余地。如果不用過渡金屬，鹵素也顯然不行，那就只能選氧與硫。鋰空氣電池(鋰、氧)與鋰硫電池都有很多人研究，但進展寥寥。除了IBM曾經爆出過大新聞。

　　IBM旗下的 “電池500”項目，致力于使鋰空氣電池商用化。和目前商用的重金屬氧化物作為陰極的鋰電池不同，鋰空氣電池的負極是泡在有機電解液里面的碳棒，反應物則是空氣中的氧氣。

　　這種反應模式最大的優點是無須自帶陰極氧化物，重量大大減輕，能量密度可以提升10倍，插電式電動車依靠這種電池可以一次行駛800公里，超過傳統動力車。不僅如此，鋰空氣電池也可以不進行充電，直接更換正負極卡盒，算是一種新型的燃料電池。

　　既然使用空氣，該電池必須設計成開放系統，電極和電解質都暴露在空氣中，這使得人們始終無法維持這兩者的穩定性，被當做陰極的碳棒會與電解質產生各種意料之外的副反應，導致負極迅速劣化。無論 “鋅空”到“鋰空”，都被嚴厲地批判過。

　　空氣-鋰電池作用原理圖

　　日本旭化成公司(Asahi Kasei)和中央硝子公司(Central Glass)在分離膜和電解液方面為該小組提供支持。

　　該小組嘗試將碳棒換為昂貴的納米金陰極，將陰極反應液換成更不容易參與陰極反應的有機液體。并聲稱獲得“充放電高達數百次而性能下降不明顯”的鋰空氣電池。但距離商用化，仍然有“很長的路要走”。

　　為了避免負極產生枝晶，即鋰離子在負極表面無序生長，需要加強捕獲鋰離子的手段。微宏公司也聲稱采用“多孔復合碳”作為負極材料，比表面積是傳統石墨的20倍以上，使鋰離子穩定快速地遷移。

　　石墨烯

　　既然電池的正負極表面材料和結構大有講究，為什么不利用近來突飛猛進的納米技術，用各種納米線、管、球、碗設計精細有序的表面結構呢?

　　石墨烯就是其中的大新聞。盡管人們普遍對此懷有疑慮，因為聲稱以石墨烯為原料的鋰電池能量密度高達600wh/kg，是傳統動力鋰電池的5倍。一度有人將石墨烯技術當做解決新能源車續航問題的終極方案。可惜，誰也沒有在可控成本上復制試驗室成果。

　　單層或者2層石墨烯確實很神奇：最薄、最堅硬、最導熱、最導電，簡直就是上帝賦予的材料。但只是看上去很美。

　　韓國研發石墨烯超級電容 電動汽車充電只需4分鐘

　　“接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克幾千元的售價，做成電池誰買?現在有公司聲稱將石墨烯的成本降低10倍，但仍然太貴。

　　即便不考慮成本，石墨烯很難分離到“完美”的1、2層，現有幾種方法分離出的石墨烯，充滿著官能團和瑕疵，層數不一，電化學性能遠不盡人意。

　　有人提出，像撒芝麻一樣，在導電劑中摻點石墨烯。但馬上就有唱反調的人站出來說，石墨烯做導電劑分散性，還不如廉價的碳家族兄弟。石墨烯很容易把從正極出發的鋰離子通道給堵死，反映到宏觀層面，就是這種電池充一兩次電之后就廢了。

　　石墨烯做負極，理論上最多是石墨負極兩倍的容量，而硅做負極的理論容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不過人家。事實上如果只考慮能量密度的話，金屬錫更適合作為負極材料。但到現在為止也就索尼推出過“錫電池” (Sony nexelion 14430W1)。但是，錫電池的名氣遠不如還未做出成品的石墨烯電池。

　　固態電池

　　電解液只為了電子有序遷移提供通路，本身并不能蓄能。如果沒有電解液，豈不能提高能量密度?能量載體的物質密度，固體>液體>氣體。這是很容易理解的。

　　豐田在2010年展示出的固態電池技術

　　支持全固態電池的廠商聲稱，他們研發的對象規避了液態電池的種種弊端。作為技術關鍵，固態電池傳遞電荷的介質(電介質)是各家電池公司的飯碗。盡管理論上可用氧化物、硫化物、氮化物作為固態電解質材料，但無法實現液態電池那樣的傳導率。德國馬克思普朗克研究所開發的一種包含鋰、鍺、磷、硫的化合物，傳導率空前地高，但仍未能達到液態電池的水平。

　　所有固態電池廠家心知肚明的是，電池陰極和固態電解質之間的轉移電阻過高，致使固態電池的功率密度還很低。同時，制造電池(其實是固態電介質)成本還非常高，因此距離商業化還有很長的路要走。

　　作為新能源技術領頭羊的豐田存在同樣的苦惱。公司高管必須做出決定，選擇看起來靠譜的那一個技術方向。在2010年，豐田推出了續航力達1000公里的電動車，用的就是固態電池技術。豐田還暢想在2020年將該技術商用化。但很快，豐田就將資金砸向氫燃料電池技術，圍繞氫制備和存儲，建立了龐大的專利群。豐田的宣傳機器轉而宣傳“美好氫時代”。

　　日本“超級電池”容量可達鋰離子電池7倍

　　豐田從電動轉向“氫動”，鑒于豐田的地位，此舉直接打擊了固態電池產業。一時間，幾乎所有廠家都本能地對固態電池持謹慎態度。當豐田莫名其轉向時，有些整車廠甚至還沒有搞清楚，固態電池的瓶頸到底在哪里。

　　曾得到巴斯夫和通用投資的創業公司Sakti3，聲稱研發出擁有1100WH/L的能量密度的固態電池--相當于主流鋰電池的4倍。Sakti3預測，固態電池電池的成本將“很快”降低至100美元/千瓦時。

　　而豐田曾公開表示，“在克服技術障礙的前提下”，全固態電池在2025年可以實現商業化，比鋰空氣電池早5年。但隨后豐田很快發現，“技術障礙”是如此地強大，足以阻礙固態電池的技術前進腳步。豐田選擇了另一條道路，所謂的“2025年固態電池”再也沒有被提及。

　　5年內新能源汽車未來的產值將達到整個汽車工業的10%。有明確商業價值的新一代電池，會誕生在我們已經提到的這些技術方案之中嗎?這是一個大概率事件。畢竟選擇就那么幾樣。不過，新技術很可能賦予它們新面目和可靠的競爭力。