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后锂电池时代的突破点(下)
会呼吸的锂空气电池

【CTIMES/SmartAuto 丁于珊 报导】   2012年09月30日 星期日

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台湾大学材料所副教授赵基扬 BigPic:450x523
台湾大学材料所副教授赵基扬 BigPic:450x523

美日作法大不同

而根据国情不同,各国对锂空气电池的充换也有不同的研究。以美国为例,由于美国土地较大,换电站或充电站距离远,不易随时充换电,因此IBM研究主题专注于如何做出二次电池。

当电池为二次电池时,重复充放电的效能及相关电池寿命与安全问题变成重要的考虑。目前使用多孔膜材(mesoporous membrane)吸附电解液做为分隔正负极的隔离膜(separator)的锂二次电池在安全上最大的问题是充放电时,” dendrite”会成长并穿越多孔隔离膜间的空隙,当正负极因dendrite成长而接触了,将会使电池短路、迅速放热,这正是时常听到锂二次电池爆炸的原因。而在需要大电流充放电的操作环境下的电动车电池,这样的问题会更显严重。

为了解决这样的问题,IBM不用多孔隔离膜的形式,而是改采纯有机液态电解质的形式以提高离子传导度,另一方面则是在锂金属表面加上一层具有良好锂离子传导特性的氧化物来稳定电极与电解液之间的接触接口,以抑制dendrite的成长。然而,液态电池却又有漏液的安全问题,很难两全齐美。

此外,这样的方式所面临的问题是,锂空气电池在放电的过程中,固体反应生成物 - 氧化锂(Li2O)及过氧化锂(Li2O2)并不溶解于有机电解液中,而会在正极堆积,导致空气流量下降,这时电解液与空气的接触逐渐被阻断,发电效能愈来愈低。因此,如何在放电后期维持一样的发电效能是电极设计所需克服的难题。

和美国走不同路线的日本则是选择换电池的方式。就像一般燃料电池燃料用完,更换氢气或甲醇,日本的设计是锂空气电池没电了,就将整颗电池换掉,不需要花费两三个小时等待充电时间;而没电的电池则由专门的工厂回收再生。

赵基扬表示,这样的方式和汽油车开车习惯较为相近,且日本使用的系统为有机液态电解质与水溶液电解质的混合系统,在阳极与锂金属相接触的电解质为有机溶液相,而在阴极则使用电解质水溶液,此两种电解质中间以一层可传导锂离子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在阴极由于锂氧化物会被溶解在水溶液里,因此也较不会有电极孔洞被塞住,降低效能的问题。但锂氧化物溶于水溶液后会产生碱性物质氢氧化锂(LiOH),而LISICON薄膜在碱性环境下不稳定,对长期操作的稳定性是一大挑战。

水分子易穿透 隔离膜挡不住

尽管美、日做法不同,但是同样存在一个最大的瓶颈 - 水。空气中除了氧气之外,还包含许多杂质,其中最难排除的,就是水分子。锂金属稳定度较差,容易和水产生反应氧化,导致锂金属表面产生高电阻的锂氧化物,而大幅降低电池的放电效率。

赵基扬指出,为了阻隔空气中的水分进入电池中,一般的做法是在阴极的外层加上一层疏水的多孔膜材以使氧通过而不使水分子通过。然而此种方法的效果有限,原因在于阻气膜是利用孔隙对不同大小分子的选择性来做阻绝,但水分子体积却比氧分子小,阻气膜难以将水分子完全隔绝在外。

目前最好的办法是将液态电解质改为固态电解质,其致密的膜材结构一方面可以降低水分子穿透性,也能够抑制dendrite成长,也不会有漏液问题产生,这些较为稳定的特性能够大幅提升安全性。

赵基扬正带领其研究团队在进行固态高分子电解质的研究,但固态电解质的离子传导度相较于液态差很多,因此其研究的挑战在于如何提升其锂离子的传导特性。他指出,虽没办法让固态电解质传导性超越液态,但是至少要接近。

当然,有更多相关计划在全球各地如火如荼地在进行着,只是各自面临不同的挑战,要克服这些挑战,一般预估锂空气电池至少还需要花上十年才能够商品化。

關鍵字: 锂空气电池  IBM  台大材料所 
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