如果把这个机理应用到气体扩散电极的现象,可以这么表述:不只是氧气,CO2也扩散到上面提到的三相界面。CO2与KOH发生反应,生成K2CO3,在微孔内析出。

如果把这个机理应用到气体扩散电极的现象,可以这么表述:不只是氧气,CO2也扩散到上面提到的三相界面。CO2与KOH发生反应,生成K2CO3,在微孔内析出。碱性物质不断向K2CO3的上方爬行,最终,K2CO3的析出物填满整个微孔。电解液经由析出物充满微孔后,三相界面将无法形成,无法作为氧气极发挥作用。要想防止这种现象发生,只能把CO2吸收液(碱性)作为洗气器(去除装置),对空气进行清洗,使CO2无法到达空气极。

如上所述,防范枝晶和正极的漏液会使系统的规模增大而且变得复杂。说到这里,想必大家已经明白,空气电池虽然作为后LIB备受瞩目,但开发起来相当困难。

LIB上市1年后与日产合作开发EV

接着来说LIB在EV和HEV中的应用。索尼于1991年在全球率先上市LIB后,从第二年开始与日产联手,合作开发以LIB为动力的EV。大约在1995年,能够称之为EV用LIB的电池开发成功(图6)。这种LIB的正极使用LiCoO2,负极使用硬碳(HC)。HC的循环特性和负载特性良好,性能在EV用LIB中得到了充分发挥。而且充电接受能力强,利用再生制动回收能源(充电)的效率高。

锂电池开发史(7):空气电池能否实用化?EV注重充电胜过容量

图6:EV用LIB模块

1990年前半段到1998年,索尼与日产合作开发配备LIB的EV。

8节LIB串联成模块,上方设置BMU(battery management unit)(图6中小箱子)。汽车以12个这种系统串联而成的系统为动力源。LIB共计96节。配备索尼开发的这种LIB的日产试制车在1995年10月的“东京车展”上进行了展出。而且,日产还于1997年发布配备LIB的EV“Altra EV”(日本名:R'NESSA EV),在日美两国售出了200辆(图7)。续航距离为130km,最高速度达120km/h,性能在当时极具突破性。

锂电池开发史(7):空气电池能否实用化?EV注重充电胜过容量

图7:1997年开发的“Altra EV”

配备索尼LIB的EV。在“第31届东京车展/1995”上展出。

这款EV似乎还震撼了全世界。迈克尔·克莱顿(Michael Crichton)的小说《失落的世界》(《侏罗纪公园》的续集)中某些段落的灵感似乎就来源于索尼和日产联手开发的EV。

小说记述的是《侏罗纪公园》6年后,科学家们重新开始调查岛屿。科学家们为保护环境决定使用EV,对此书中有这样一段描述。

笔者阅读了美国Alfled A.Knopf公司出版的这部小说的1995年版本。现在,EV用LIB已经成了全世界关注的焦点,而在1995年的时候,这种电池还处于摇篮期。作者竟然在这么早的时候,就让配备LIB的EV在小说中登场,着实令人大吃一惊。但这里要多说一句,故事里“lithium-ion batteries from Nissan(日产的LIB)”的设定令人无法接受。这里不应该是日产,而应该是索尼的LIB。暂且不论索尼宣传不力,LIB“unreliable”(不可靠)的表述方式也有失偏颇。

与日产的合作研究因为索尼方面的原因而于1998年中止。日产之后继续开发EV,并在2009年推出了“LEAF(聆风)”。展示了坚持就是胜利的精神。

性能足以满足HEV需求

那么,EV和HEV用LIB的现状如何?MarkLines的调查“环保车用锂电池制造商”显示,在全世界,正在制造及准备制造车用LIB的制造商多达125家。这个数字令便携终端用小型LIB制造商等都要黯然失色。但笔者不禁担忧:连生产小型便携终端用LIB的经验都没有的制造商能轻而易举地制造出大型LIB吗?

车用LIB的开发似乎正在大容量化、高安全性这两个难以兼顾的特性之间一筹莫展。因安全性好而投入开发的正极活性物质磷酸铁锂(LiFePO4)和尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)的体积能量密度远小于消费类LIB使用的正极。就正极而言,在应用于HEV时,正极只要具备一定的容量即可,负载特性、大电流充电接受性能和循环特性扮演的角色更为重要,所以应该可以采用LiFePO4等材料。

而就负极而言,使用安全性好的钛酸锂(Li4Ti5O12)的LIB电压低,能量密度也低。制作电压相同的电池系统,需要串联的LIB是过去的1.5倍。这对于控制等方面极为不利。HC负极虽然在能量密度上稍逊于石墨,但循环特性、负载特性和充电特性表现出色。作为HEV用LIB负极的希望很大。

EV的问题在于充电

对于EV的实用化,除了上面提到的容量等,笔者最担心的还是如何充电。日产的LEAF搭载24kWh,三菱的EV“i-MiEV”搭载16kWh的LIB。前者利用单相100V充电需要16个小时,单相200V需要8个小时。后者则分别需要14个小时和7个小时。也就是说,使用住宅电源一个晚上基本可以充满。

[责任编辑:赵卓然]

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