尽管目前锂离子电池还有发展潜力,从长远来看对电动汽车来说还是远远不够。无论如何必须寻找其他类型的电池。综观现在各类电池的研究进展,普遍认为锂空气和锂硫电池有比较大的潜力。
锂硫电池早在1940年就有研究,而锂空气电池最近才引起关注。
下图列举了各类电池电动汽车的续航能力,目前锂离子电池为160公里,继续优化锂离子电池未来有望达到200公里,要真正有竞争力,能行驶500公里以上,未来很可能需要采用锂空气电
如下罗列了锂空气和锂硫电池的特点,问题,及发展前景。
锂空气(无水型,或有机电解液型)
正极空气电极受空气中二氧化碳和水蒸气的影响,透气膜有待开发。目前无特制透气膜的话电池寿命仅几个小时,最好的透气膜电池寿命1个月。
电解液是大问题,必须化学稳定,导离子,溶解氧,扩散氧,不易挥发。目前常用碳酸丙烯酯,但放电过程中易受到氧气影响而降解。最近有报道使用醚类,稳定但充电是不能释放全部氧。
电压取决于正极催化剂的使用。目前常用alfa二氧化锰,最新研究有用碳材料的。还不清楚催化剂是否促进电解液分解影响其稳定性。
正极氧还原在锂存在下常被认为是一个电子转移。
充放电的正极反应路径不一样,引起充放电电压不一致,常为0.7伏差异。
金属锂负极的安全性,剩余金属锂问题或载体问题。
锂空气(有水型)
始于2007年。
最大问题为保护金属锂负极,避免接触水电解质,使用一层绝缘但锂离子能通过的膜。
不需要防止空气中水(蒸气)的入侵,但还是要防止二氧化碳。
水电解质参与电极反应,放电过程中被消耗引起氢氧化锂饱和,流动设计有可能解决这个问题。
为提高容量,必须允许使用固体氢氧化锂,这里需要一个离子交换膜来解决这个问题。
氧还原问题,需要催化剂。
锂硫电池
正极还原硫,最终得到硫化锂,已经有几十年的研究。
优点:硫便宜,高理论容量。
问题:硫导电差,正极反应得到固体硫化锂,所以充电循环次数少,速率慢;形成不同中间产物,正负极间流动消耗,容量迅速降低;金属锂和电解液界面难以控制。
最近研究:使用多孔正极改善导电性;使用有机硫高分子正极;电解质问题。
总的来说,从总成本来看锂硫比锂空气电池更接近市场化。但锂硫电池的问题几十年没解决,而锂空气研究时间尚短。
整体来说化学问题还没理解清楚,目前很难商业化。
很难说哪个将来会最终商业化,也可能都不会,但目前没更好的办法。