锂空气(氧气)电池的研究进展
二、产综 研开发出组合使用有机电解液和水性电解液的“锂空气电池”
日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长周豪慎和日本学术振兴会（JSPS）外籍特别研究员 王永刚共同开发出了新构造的大容量锂空气电池。
锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等，用于电动汽车时存在能源密度不足的问题。所以理论上可实现大容量的“锂空气 电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触， 导致停止放电等问题。
负极（金属锂）采用有机电解液，正极（空气）方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混 合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验 证明该电池可连续放电 50000mAh/g（空气极的单位质量）。
该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可 实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃 料的新型燃料电池。
锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目 前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大 幅上升的问题。
要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约 6～7倍。因此，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池 备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。
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三、 锂空气电池为电动汽车而诞生
对于未来新能源汽车的发展，无论是混合动力，还是燃料电池电动等，均需要高性能电池发挥功用。而目前发展的瓶颈即 是电池容量的不足，不过新的锂空气电池技术有望彻底解决这一问题。
锂空气电池原理
日前，日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会（JSPS）共同开发出了新构造的大容量锂空气电池。锂离子电池广泛用 于手机和笔记本电脑等，用于电动汽车时存在能源密度不足的问题。所以理论上可实现大容量的―锂空气电池‖作为新一代大 容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问 题。
负极（金属锂）采用有机电解液，正极（空气）方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混 合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验 证明该电池可连续放电50000mAh/g（空气极的单位质量）。
该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可 实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃 料的新型燃料电池。
锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目 前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大 幅上升的问题。
要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约6～7倍。因此，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池 备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。
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四、 创效能纪录的锂-空气电池
空气催化剂：金和铂的合金纳米微粒（深色的区域）位于炭黑色基底上（浅色图案）；
这些材料共同提高了锂-空气电池的效率。
由麻省理工学院的研究人员研发的一种催化剂使锂-空气电池的充电效率有了显著的提高——这使这种高能量密度电池适 用于电动汽车及其他领域的目标迈近了一步。
该催化剂由金和铂的合金纳米微粒组成；在测试中，它能将充电能量的 77%作为电能释放出来。研究人员说，这比之前 公布的 70%左右的记录还要高。6月第 2周，《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线发表了这项 研究，该研究提出了一种制造锂-空气电池催化剂的新方法，它甚至能达到比商用电池所需的 85%～90%更高的效率。
锂-空气电池通过锂和空气中的氧反应来产生电能，由于其具有储存能量高的潜力而受到关注。与相同重量的如今使用的 锂离子电池相比，锂-空气电池可以实际存储多达 3倍的能量，比如，可以延长电动汽车的行驶距离。
但锂-空气电池样品也存在一些问题。除了非常的低效之外，它们通常只能持续几十个充电和放电周期。它们也不活跃， 只能缓慢地释放能量，并容易被二氧化碳和水污染。作为其中一个电极的金属锂非常活跃，具有危险性，并最终形成会导致短 路的树状晶体。
为了提高电池的效率，这项新的催化剂研究由材料科学工程和机械工程教授杨绍红（Yang Shao-Horn）领导，与机械工 程和生物工程教授金柏莉?哈迈德-斯契费尔利（Kimberly Hamad-Schifferli）合作，设法解决其中最重要的问题。该催化剂有助 于延长电池寿命。
当锂-空气电池放电时，金属锂与氧气起反应生成氧化锂并释放电子。当充电时，氧气被释放，金属锂被还原。新的催化 剂促进了这些反应，由此减少了电池充放电时能量的损失。催化剂里的金原子可以促进锂和氧的结合；而铂原子则有助于还原 反应，释放氧。
在某些方面，研究结果有悖于之前的假设。铂是已知的能促进燃料电池中氢氧结合的最好的催化剂之一，是最早试用于锂 -空气电池用来催化锂和氧的材料之一。但是实验表明，铂的表现并不好，所以它被放弃了。
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麻省理工学院的研究人员发现，铂在锂-空气电池中是有用的，但只是在逆向反应——充电过程中从氧化锂中释放氧—— 中有用。杨绍红说：“大家都知道铂在电池放电时不活跃，但我们发现，铂在充电反应中是最好的催化剂之一。”
杨绍红表示，另一方面，由于金的惰性，它通常被认为是一种不良的催化剂。事实上，麻省理工学院的研究人员是第一次 使用金控制实验，来测量使用不良催化剂的反应。令他们吃惊的是，他们发现，金在催化锂和氧的结合时表现出色——比铂好 很多（在杨绍红的研究小组发现这点之前的几个月，丰田公司的研究者就已经演示了这一成果，并注册了专利）。此外，研究 人员发现，这两种催化剂在纳米微粒状态下结合时效率更高。杨绍红说：“它们在一起工作时会相互促进。”
除了提高效率，促进这些反应还有望增加锂-空气电池可充电的次数——通过减少会阻塞电池的氧化锂。当麻省理工学院 的研究人员继续研发锂-空气电池时，他们将探讨这种可能性；他们会更细致地研究金铂催化剂，以了解它们是如何工作的；并 通过对不同材料的组合来研发新的催化剂。
麻省理工学院的研究人员正努力通过使用少量的铂和金来降低催化剂的成本。一种方法是，在较便宜的材料制成的纳米微 粒表层涂上薄薄的一层贵重的金属。法国庇卡底大学（Universite de Picardie Jules Verne）教授让?马里?塔拉斯孔（Jean-Marie Tarascon）表示，其他研究人员已经证实，廉价的氧化锰催化剂对锂-空气电池有效。他说目前这些材料已被证明比杨绍红的催 化剂更有效率。
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五、 轻型高能量锂电池即将问世
博士生 Yi-Chun Lu在麻省理工学院进行锂空气电池的测试实验。图片来自麻省理工学院 Patrick Gillooly。
重量轻，电量是现有任何的电池的 3倍，生产这样的电池不再是不可能的事情；美国麻省理工学院的研究人员 已经朝着这个方向迈出了重要一步，他们利用锂氧（锂空气）技术可以制造出这样的电池。
虽然许多专家都在研究锂空气电池，但是，对于使用什么样的电极材料可以提高电池内的电化学反应，还缺乏 了解，麻省理工学院机械工程、材料科学与工程副教授 Yang Shao-Horn说。
锂空气电池技术可能是提高电池能量密度的关键。 原理上，这些电池类似于锂离子电池，可以被广泛用于便携 式电子产品和电动汽车等领域。但是，锂空气电池要轻得多，因为它们利用碳基电极和空气气流取代了传统的沉重 化合物。由于锂空气电池的巨大潜力，IBM和通用汽车等大公司都正在参与这项技术的研究。可提供大量电力的轻 型电池对多种产品应用非常重要，如提高电动汽车的运行里程。因此，即使是只增加少量的电池能量密度－固定重 量所能产生的能量，也是重要的进展。
根据 Shao Horn女士、她的学生及访问教授 Hubert Gasteiger共同在《电化学与固体快报》杂志上发表的论文， 使用金或铂电极为催化剂，可以比使用简单的碳电极产生更高的电池效率。
他们的工作为进一步研究更好的电极材料铺下了道路，如黄金合金、白金等金属，或金属氧化物和价格更低的 替代品；该小组还研究了测定电池中不同催化剂活性的方法，该论文的主要作者、博士生 Yi-Chun Lu说。
“我们将研究不同的材料，看看它们的变化。这样的研究可以让我们确定催化剂活性的物理参数。最终，我们将 能够预测催化剂的作用，”Lu女士说。
研究小组下一步将研究如何确保制造这种电池系统的安全性。锂金属遇到水时会高度活跃，即使是微量的水。 这可以通过使用更加稳定的负极材料来解决，如石墨，而不是金属锂，Shao Horn女士说。
现有的锂离子电池不存在这个问题，因为他们使用碳基材料作负极。
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