也就是說(shuō)，鋰-空氣電池的容量并不是由電極的體積與質(zhì)量決定，而是電極的表面積。這就是為什么在鋰空氣電池中，質(zhì)量很小的電極也能夠儲(chǔ)存大量的能量，從而得到較高的能量密度。
△鋰-空氣電池充放電過(guò)程示意
當(dāng)然，除了能量密度之外，成本也是一個(gè)很重要的考慮因素。電池的售價(jià)目前在200-300美元/千瓦時(shí)，如果按每千瓦時(shí)能跑5-6公里計(jì)算的話，800公里需要一個(gè)150千瓦時(shí)的電池，就需要3萬(wàn)-4.5萬(wàn)美元。而一輛寶馬2系的汽車也只需要3.3萬(wàn)美元。所以，如果想要量產(chǎn)的話，每千瓦時(shí)的價(jià)格必須下降到100美元以下。
鋰-空氣電池商業(yè)化要解決哪些問(wèn)題？
單純來(lái)看鋰與氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)時(shí)，理論上能夠產(chǎn)生的最大能量密度是3460Wh/kg。拋開(kāi)電池單元中不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的那部分，最終能夠達(dá)到的能量密度數(shù)值也很讓人期待。當(dāng)然，同樣會(huì)遇到問(wèn)題。
鋰-空氣電池的充電過(guò)程與常規(guī)鋰離子電池類似，只要在外部加壓就可以實(shí)現(xiàn)。不同的是，鋰空氣電池中，當(dāng)有外部電壓時(shí)，過(guò)氧化鋰的結(jié)構(gòu)會(huì)破壞，還原成氧氣與鋰離子，鋰離子回到正極。鋰-空氣電池與傳統(tǒng)鋰電池一樣，充放電次數(shù)愈多，在電池內(nèi)部產(chǎn)生的副作用就越大。這些副作用就是影響其量產(chǎn)乃至商業(yè)化的根本所在。
為了了解這些副作用對(duì)電池帶來(lái)的影響，我們使用研究中心的電化學(xué)質(zhì)譜儀，去精確測(cè)量在每一次充放電循環(huán)中，消耗與產(chǎn)生的氣體量。結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：鋰-空氣電池在充電過(guò)程中釋放出的氧氣比放電時(shí)消耗的氧氣要少很多。（在試驗(yàn)中，大多使用干氧而不是空氣。）
△IBM研究中心的電化學(xué)質(zhì)譜儀（來(lái)源：IBM）
在理想的電池單元中，在放電過(guò)程中消耗的氧氣與充電過(guò)程中釋放的氧氣質(zhì)量是相等的。但是研究發(fā)現(xiàn)氧氣的釋放量卻變少了，這也就是意味著那些并沒(méi)有釋放的氧氣很有可能是與電池單元中的部件進(jìn)行了反應(yīng)，比如說(shuō)融化到電解液之中，電池在發(fā)生內(nèi)部消耗。
在IBM位于蘇黎世的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，我們進(jìn)行了新的試驗(yàn)，對(duì)這種自我破壞的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了跟蹤和計(jì)算機(jī)模擬。最后發(fā)現(xiàn)原因在于有機(jī)電解液上。然后我們針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，在最新的電池單元中，使用了新的電解液之后，充電時(shí)，能夠釋放出放電時(shí)吸收的大部分氧氣。另外，我們也跟蹤了在充放電時(shí)氫氣與水的消耗與產(chǎn)生量，因?yàn)檫@兩種物質(zhì)的存在意味著在這個(gè)電池內(nèi)部很有可能還存在至少一種自我消耗的化學(xué)反應(yīng)。我們現(xiàn)在的電池單元已經(jīng)能夠達(dá)到200次充放電循環(huán)，雖然這是讓實(shí)際的充電過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論最大值。
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