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续航里程800公里 锂空气电池是否能拯救电动汽车?

导读: 为什么要以800公里为目标呢?因为这个数值是大部分人对汽车续航里程的期望最高值,如果电动车的续航里程不能达到800公里,并且成本能被大多数人接受,那么电动车就少了普及的可能。通过这七年的实验来看,我们足以认为:未来金属-空气电池在电动车上确有用武之地。

  为什么要以800公里为目标呢?因为这个数值是大部分人对汽车续航里程的期望最高值,如果电动车的续航里程不能达到800公里,并且成本能被大多数人接受,那么电动车就少了普及的可能。

  所以,我们将这个数值设定为我们Battery500项目的目标。这个项目从2009年就开始了,由阿尔马登研究中心主导。此后,IBM与来自欧洲、亚洲以及美国的众多商业伙伴、研究院共同进行了这项研究。

  Battery500项目基于金属-空气技术。相比于锂电池,金属-空气电池能够在单位质量内拥有更多的能量。项目研究至今,依然还需要几年的时间才能够商业化。但是通过这七年的实验来看,我们足以认为:未来金属-空气电池在电动车上确有用武之地。

  为什么叫金属-空气电池?

  以锂-空气电池为例,要搞清楚这个问题,先来看看锂离子电池(即现在常见的锂电池)与锂空气电池的区别。

  下图为锂离子电池在充放电时电池内部状态示意。传统锂离子电池中,正极是碳,而负极则是由不同的过渡金属氧化物组成,比如钴、镍、锰等。两个电极都浸泡在溶有锂盐的电解液中。在充放电时,锂离子会从一个电极向另外一个电极移动。移动的方向根据根据电池状态的不同,充电或者放电,而不同。在充放电时,锂离子最终会嵌入到电极材料的原子层,因而最终电池的容量大小取决于有多少材料能够容纳锂离子,即由电极的体积与质量决定。

  锂离子电池

锂离子电池充放电过程示意

  锂-空气电池有所不同。在金属-空气电池中,发生的是电气化学反应。在放电过程中,含有锂的正极释放出锂离子,锂离子向负极移动,并在负极表面与氧气发生反应,形成过氧化锂(Li2O2)。

  锂离子、电子与氧气是在多孔碳形成的负极表面产生反应,因为化学反应并非发生在负极上,最终容纳锂离子的并非是负极材料,因而电池的容量与负极材料的体积或质量并没有太大关系,只要有足够大的表面积即可。

  也就是说,锂-空气电池的容量并不是由电极的体积与质量决定,而是电极的表面积。这就是为什么在锂空气电池中,质量很小的电极也能够储存大量的能量,从而得到较高的能量密度。

  锂-空气电池

锂-空气电池充放电过程示意

  当然,除了能量密度之外,成本也是一个很重要的考虑因素。电池的售价目前在200-300美元/千瓦时,如果按每千瓦时能跑5-6公里计算的话,800公里需要一个150千瓦时的电池,就需要3万-4.5万美元。而一辆宝马2系的汽车也只需要3.3万美元。所以,如果想要量产的话,每千瓦时的价格必须下降到100美元以下。

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