鉅大LARGE | 點擊量：777次 | 2021年09月15日
后鋰離子電池時代突破點 鋰空氣電池成明日之星
1910年，愛迪生曾說過，在未來15年內，電動汽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汽車電池的研究，希望能夠達到更高的發電效能。如今，愛迪生的預言早已被證實并不準確，且在經過一百年的發展后，電池仍然是電動汽車始終跨不過去的瓶頸。
附圖:鋰空氣電池結構示意圖BigPic:600365
根據ConsumerReport.org在2012年針對汽車品牌調查，有77%的受訪者有關電動汽車有里程限制(LimitedRange)的焦慮，42%的人則關心在充電過程中的安全性問題，這些問題都和電動汽車的心臟–電池有關系。盡管經過長時間發展，電池技術已比原先的效能高上幾倍，但仍然沒辦法滿足電動汽車對更高能量密度的需求。
兩大電池技術遇瓶頸
在純電動汽車中，重要使用兩種電池，分別是氫氣燃料動力鋰電池和鋰離子電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動力鋰電池目前在市場中處于高不成低不就的尷尬狀態，大學材料所副教授趙基揚指出，關鍵在于白金觸媒成本太高、質子傳導膜的操作溫度被限制在低溫(<80C)導致電池表現不佳、燃料儲存空間太大及氫氣的安全性疑慮等三大問題，使得燃料動力鋰電池的發展受限。
在燃料動力鋰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，甚至也是當前電動汽車電池的首選技術。
然而，隨著鋰離子電池廣泛被使用后，續航力和驅動力成為電動汽車使用鋰離子電池的最大問題。電動汽車和3C產品耗電量差距過大，鋰離子電池必須有更高的容量和效能才能符合電動汽車的需求。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，仍難以滿足電動汽車在續航力上的需求。
鋰空氣電池成明日之星
鋰離子電池想提升容量，就會有出現過重的問題。于是有研究人員開始將鋰離子電池中不發電的石墨電極等傳統零件的比例降到最低，改用一整面的鋰金屬當作陽極，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。這正是目前備受關注的技術–鋰空氣電池。
根據IBMBattery500計劃指出，目前的鋰離子電池充滿電可讓電動汽車行駛約100英哩，雖有關一個普通家庭來說已經足夠，但是如要遠程旅行，仍必須大幅提升續航力。
因此，IBM在2009年開始投入鋰空氣電池的研究，預計能將目前鋰離子電池的能量密度(~100–200Wh/Kg)提升10倍，讓電動汽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汽車電池的明日之星。
鋰空氣電池的發電原理是在陽極將鋰金屬氧化出現電子與鋰離子，電子供給外部電路電力，而鋰離子則經由電池內部的電解質傳導至陰極，與空氣中的氧分子及外電路流入的電子進行還原反應，形成完整的電化學反應，從而出現電能。由于空氣隨處可得，讓鋰空氣電池可做的更輕、更小，不必再擔心燃料儲存空間的問題。
美日作法大不同
而根據國情不同，各國對鋰空氣電池的充換也有不同的研究。以美國為例，由于美國土地較大，換電站或充電站距離遠，不易隨時充換電，因此IBM研究主題專注于如何做出二次電池。
當電池為二次電池時，重復充放電的效能及相關電池壽命與安全問題變成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporousmembrane)吸附電解液做為分隔正負極的隔離膜(separator)的鋰二次電池在安全上最大的問題是充放電時，dendrite會成長并穿越多孔隔離膜間的空隙，當正負極因dendrite成長而接觸了，將會使電池短路、迅速放熱，這正是時常聽到鋰二次電池爆炸的原因。而在要大電流充放電的操作環境下的電動汽車電池，這樣的問題會更顯嚴重。
為了解決這樣的問題，IBM不用多孔隔離膜的形式，而是改采純有機液態電解質的形式以提高離子傳導度，另一方面則是在鋰金屬表面加上一層具有良好鋰離子傳導特性的氧化物來穩定電極與電解液之間的接觸介面，以抑制dendrite的成長。然而，液態電池卻又有漏液的安全問題，很難兩全齊美。
此外，這樣的方式所面對的問題是，鋰空氣電池在放電的過程中，固體反應生成物–氧化鋰(Li2O)及過氧化鋰(Li2O2)并不溶解于有機電解液中，而會在正極堆積，導致空氣流量下降，這時電解液與空氣的接觸逐漸被阻斷，發電效能愈來愈低。因此，如何在放電后期維持相同的發電效能是電極設計所需克服的難題。
和美國走不同路線的日本則是選擇換電池的方式。就像一般燃料動力鋰電池燃料用完，更換氫氣或甲醇，日本的設計是鋰空氣電池沒電了，就將整顆電池換掉，不要花費兩三個小時等待充電時間;而沒電的電池則由專門的廠回收再生。
趙基揚表示，這樣的方式和汽油車開車習慣較為相近，且日本使用的系統為有機液態電解質與水溶液電解質的混合系統，在陽極與鋰金屬相接觸的電解質為有機溶液相，而在陰極則使用電解質水溶液，此兩種電解質中間以一層可傳導鋰離子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在陰極由于鋰氧化物會被溶解在水溶液里，因此也較不會有電極孔洞被塞住，降低效能的問題。但鋰氧化物溶于水溶液后會出現鹼性物質氫氧化鋰(LiOH)，而LISICON薄膜在鹼性環境下不穩定，對長期操作的穩定性是一大挑戰。
水分子易穿透隔離膜擋不住
盡管美、日做法不同，但是同樣存在一個最大的瓶頸–水。空氣中除了氧氣之外，還包含許多雜質，其中最難排除的，就是水分子。鋰金屬穩定度較差，容易和水出現反應氧化，導致鋰金屬表面出現高電阻的鋰氧化物，而大幅降低電池的放電效率。
趙基揚指出，為了阻隔空氣中的水分進入電池中，一般的做法是在陰極的外層加上一層疏水的多孔膜材以使氧通過而不使水分子通過。然而此種方法的效果有限，原因在于阻氣膜是利用孔隙對不同大小分子的選擇性來做阻絕，但水分子體積卻比氧分子小，阻氣膜難以將水分子完全隔絕在外。
目前最好的辦法是將液態電解質改為固態電解質，其致密的膜材結構一方面可以降低水分子穿透性，也能夠抑制dendrite成長，也不會有漏液問題出現，這些較為穩定的特性能夠大幅提升安全性。
趙基揚正帶領其研究團隊在進行固態高分子電解質的研究，但固態電解質的離子傳導度相較于液態差很多，因此其研究的挑戰在于如何提升其鋰離子的傳導特性。他指出，雖沒辦法讓固態電解質傳導性超越液態，但是至少要接近。
當然，有更多相關計劃在全球各地如火如荼地在進行著，只是各自面對不同的挑戰，要克服這些挑戰，一般預估鋰空氣電池至少還要花上十年才能夠商品化。
下一篇：動力鋰離子電池：鹿死誰手
