鋰空氣電池這是一種由日本產業(yè)技術綜合研究所與日本學術振興會(JSPS)共同開發(fā)出的一種新構造的大容量鋰空氣電池。
鋰空氣電池
理論上可實現(xiàn)大容量的“鋰空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚目。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反應生成物，阻隔了電解液與空氣的接觸，導致停止放電等問題。
負極(金屬鋰)采用有機電解液，正極(空氣)方面則使用水性電解液，兩極由固體電解質隔開，以防止兩電解液發(fā)生混合。由于固體電解質只通過鋰離子，因此電池的反應可無阻礙地進行。正極的反應生成物具有水溶性，不產生固體物質。實驗證明該電池可連續(xù)放電50000mAh/g(空氣極的單位質量)。
該技術極有望用于汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補充負極的金屬鋰的話，汽車可實現(xiàn)連續(xù)行駛且無需充電等待時間?？梢詮挠眠^的水性電解液中輕松提取金屬鋰，鋰能夠反復使用?？梢哉f是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。
鋰離子電池目前已經(jīng)開始在電動汽車上應用，為了實現(xiàn)長距離行駛，作為蓄電池時的高性能化和低成本化備受期待。但目前的鋰離子電池受制于電池容量很難實現(xiàn)長距離行駛，要實現(xiàn)長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價格大幅上升的問題。
要實現(xiàn)電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。因此，理論上能源密度遠遠大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關注。由于鋰空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物質，理論上正極容量無限大，因此可實現(xiàn)大容量。
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解密鋰空氣電池
大容量鋰-空氣電池并非新概念，至今都未普及原因是它存在致命缺陷，日本的研究院克服了這個困難，但
要想實現(xiàn)商用，可能還需要10年。減碳，對于人類福祉來說，絕對不是離譜的要求，但對于全球汽車業(yè)來說，卻是一件困難的事情。
眾所周知，鋰離子電池廣泛用于手機和筆記本電腦等，目前也已經(jīng)是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。它比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠。即將于2010年上市的雪佛蘭Volt混合動力汽車如果僅僅使用電池，只能行駛40公里。盡管仍有改進的空間，但鋰離子電池的潛力依然有限。普遍認為，要實現(xiàn)電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。于是，理論上能源密度遠遠大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關注。雖然仍使用有機溶媒，但它卻以全新的構成極大提高電池的能量密度。
鋰-空氣電池并非新概念。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。另外，如果負極使用金屬鋰，理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數(shù)。但是，為什么鋰-空氣電池至今都未普及?原因是它存在致命缺陷，即固體反應生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導致放電停止。
2009年2月，日本產業(yè)技術綜合研究所能源技術研究部門能源界面技術研究小組組長周豪慎和日本學術振興會(JSPS)外籍特別研究員王永剛共同開發(fā)出了新構造的大容量鋰空氣電池。他們通過將電解液分成兩種來解決上述問題。在負極(金屬鋰)一側使用有機電解液，在正極(空氣)一側使用水性電解液。在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的固體電解質膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發(fā)生反應。
負極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機電解液。雖然不能棄用有機溶媒，但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價氧化物催化劑形成的正極組合。在鋰-空氣電池中，由于放電反應生成的并非是固體的Li2O，而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導致工作停止。水及氮等也不會穿過固體電解質的隔壁，因此不存在與負極的鋰金屬發(fā)生反應的危險。而且，在充電時，如果配置充電專用的正極，還可防止充導電致空氣電極的腐蝕和老化。
實驗證明，以0.1A/g的放電率進行放電時，放電容量約為9000mAh/g，而以前的鋰-空氣電池的放電容量僅為700～3000mAh/g，可以說實現(xiàn)了容量的大幅增加。另外，如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中以0.1A/g的放電率連續(xù)放電20天，其放電容量約為5萬mAh/g(空氣極的單位質量)，比原來高一位數(shù)。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數(shù)，因此該數(shù)值共比鋰離子充電電池高兩位數(shù)。
現(xiàn)在，由于水溶液的性能較高，而在易用性上凝膠更為出色，科學家們今后需要考慮決定究竟對這兩者中的哪一個進行開發(fā)。了解到，這種技術還可考慮與單純的充電電池不同的使用方法。如果不對電池進行充電，而是通過汽車底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補給負極的金屬鋰，汽車便可實現(xiàn)無需充電等待時間，立即行駛。而且，通過回收用過的水性電解液，以電氣方式重新生成金屬鋰，還可繼續(xù)作為電池負極燃料循環(huán)使用，避免產生其他污染。鋰-空氣電池可以說是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池。
科學家認為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實驗室都在研究這種技術，但如果沒有重大突破，要想實現(xiàn)商用可能還需要10年。
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