鋰空氣電池

除了還原劑令人頭痛，氧化劑的選擇也沒有什么余地。如果不用過渡金屬，鹵素也顯然不行，那就只能選氧與硫。鋰空氣電池（鋰、氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進展寥寥。除了IBM曾經(jīng)爆出過大新聞。

IBM旗下的 “電池500”項目，致力于使鋰空氣電池商用化。和目前商用的重金屬氧化物作為陰極的鋰電池不同，鋰空氣電池的負極是泡在有機電解液里面的碳棒，反應物則是空氣中的氧氣。

空氣理電池作用原理圖

這種反應模式最大的優(yōu)點是無須自帶陰極氧化物，重量大大減輕，能量密度可以提升10倍，插電式電動車依靠這種電池可以一次行駛800公里，超過傳統(tǒng)動力車。不僅如此，鋰空氣電池也可以不進行充電，直接更換正負極卡盒，算是一種新型的燃料電池。

既然使用空氣，該電池必須設(shè)計成開放系統(tǒng)，電極和電解質(zhì)都暴露在空氣中，這使得人們始終無法維持這兩者的穩(wěn)定性，被當做陰極的碳棒會與電解質(zhì)產(chǎn)生各種意料之外的副反應，導致負極迅速劣化。無論 “鋅空”到“鋰空”，都被嚴厲地批判過。

日本旭化成公司（Asahi Kasei）和中央硝子公司（Central Glass）在分離膜和電解液方面為該小組提供支持。

該小組嘗試將碳棒換為昂貴的納米金陰極，將陰極反應液換成更不容易參與陰極反應的有機液體。并聲稱獲得“充放電高達數(shù)百次而性能下降不明顯”的鋰空氣電池。但距離商用化，仍然有“很長的路要走”。

為了避免負極產(chǎn)生枝晶，即鋰離子在負極表面無序生長，需要加強捕獲鋰離子的手段。微宏公司也聲稱采用“多孔復合碳”作為負極材料，比表面積是傳統(tǒng)石墨的20倍以上，使鋰離子穩(wěn)定快速地遷移。

石墨烯

既然電池的正負極表面材料和結(jié)構(gòu)大有講究，為什么不利用近來突飛猛進的納米技術(shù)，用各種納米線、管、球、碗設(shè)計精細有序的表面結(jié)構(gòu)呢？

石墨烯就是其中的大新聞。盡管人們普遍對此懷有疑慮，因為聲稱以石墨烯為原料的鋰電池能量密度高達600wh/kg，是傳統(tǒng)動力鋰電池的5倍。一度有人將石墨烯技術(shù)當做解決新能源車續(xù)航問題的終極方案。可惜，誰也沒有在可控成本上復制試驗室成果。

單層或者2層石墨烯確實很神奇：最薄、最堅硬、最導熱、最導電，簡直就是上帝賦予的材料。但只是看上去很美。

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“接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克幾千元的售價，做成電池誰買？現(xiàn)在有公司聲稱將石墨烯的成本降低10倍，但仍然太貴。

即便不考慮成本，石墨烯很難分離到“完美”的1、2層，現(xiàn)有幾種方法分離出的石墨烯，充滿著官能團和瑕疵，層數(shù)不一，電化學性能遠不盡人意。

有人提出，像撒芝麻一樣，在導電劑中摻點石墨烯。但馬上就有唱反調(diào)的人站出來說，石墨烯做導電劑分散性，還不如廉價的碳家族兄弟。石墨烯很容易把從正極出發(fā)的鋰離子通道給堵死，反映到宏觀層面，就是這種電池充一兩次電之后就廢了。

石墨烯做負極，理論上最多是石墨負極兩倍的容量，而硅做負極的理論容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不過人家。事實上如果只考慮能量密度的話，金屬錫更適合作為負極材料。但到現(xiàn)在為止也就索尼推出過“錫電池” （Sony nexelion 14430W1）。但是，錫電池的名氣遠不如還未做出成品的石墨烯電池。