车云按：可能很多人都想不到，IBM很早就在开始研究电池技术。2009年，IBM在加州圣何塞的阿尔马登研究中心（IBMAlmadenResearchCenter）开始了一项名为Battery500的项目，目标是希望研究出能够让电动车的续航里程达到800公里的电池。

本文两位作者WinfriedW.Wilcke与Ho-CheolKim均来自于IBM阿尔马登研究中心，前一位是纳米科技研究负责人，后一位是该研究中心能量储存研究组组长。

原文发表在IEEE网站，由车云菌编译，两位作者共同讲述了金属-空气电池的优点、缺点、在商业化征途上碰到的各项问题，以及是如何解决的。

为什么要以800公里为目标呢？因为这个数值是大部分人对汽车续航里程的期望最高值，如果电动车的续航里程不能达到800公里，并且成本能被大多数人接受，那么电动车就少了普及的可能。

所以，我们将这个数值设定为我们Battery500项目的目标。这个项目从2009年就开始了，由阿尔马登研究中心主导。此后，IBM与来自欧洲、亚洲以及美国的众多商业伙伴、研究院共同进行了这项研究。

Battery500项目基于金属-空气技术。相比于锂电池，金属-空气电池能够在单位质量内拥有更多的能量。项目研究至今，依然还需要几年的时间才能够商业化。但是通过这七年的实验来看，我们足以认为：未来金属-空气电池在电动车上确有用武之地。

以锂-空气电池为例，要搞清楚这个问题，先来看看锂离子电池（即现在常见的锂电池）与锂空气电池的区别。

下图为锂离子电池在充放电时电池内部状态示意。传统锂离子电池中，正极是碳，而负极则是由不同的过渡金属氧化物组成，比如钴、镍、锰等。两个电极都浸泡在溶有锂盐的电解液中。在充放电时，锂离子会从一个电极向另外一个电极移动。移动的方向根据根据电池状态的不同，充电或者放电，而不同。在充放电时，锂离子最终会嵌入到电极材料的原子层，因而最终电池的容量大小取决于有多少材料能够容纳锂离子，即由电极的体积与质量决定。

△锂离子电池充放电过程示意

锂-空气电池有所不同。在金属-空气电池中，发生的是电气化学反应。在放电过程中，含有锂的正极释放出锂离子，锂离子向负极移动，并在负极表面与氧气发生反应，形成过氧化锂（Li2O2）。

锂离子、电子与氧气是在多孔碳形成的负极表面产生反应，因为化学反应并非发生在负极上，最终容纳锂离子的并非是负极材料，因而电池的容量与负极材料的体积或质量并没有太大关系，只要有足够大的表面积即可。

也就是说，锂-空气电池的容量并不是由电极的体积与质量决定，而是电极的表面积。这就是为什么在锂空气电池中，质量很小的电极也能够储存大量的能量，从而得到较高的能量密度。

 △锂-空气电池充放电过程示意

当然，除了能量密度之外，成本也是一个很重要的考虑因素。电池的售价目前在200-300美元/千瓦时，如果按每千瓦时能跑5-6公里计算的话，800公里需要一个150千瓦时的电池，就需要3万-4.5万美元。而一辆宝马2系的汽车也只需要3.3万美元。所以，如果想要量产的话，每千瓦时的价格必须下降到100美元以下。

单纯来看锂与氧气进行氧化还原反应时，理论上能够产生的最大能量密度是3460Wh/kg。抛开电池单元中不进行化学反应的那部分，最终能够达到的能量密度数值也很让人期待。当然，同样会遇到问题。

锂-空气电池的充电过程与常规锂离子电池类似，只要在外部加压就可以实现。不同的是，锂空气电池中，当有外部电压时，过氧化锂的结构会破坏，还原成氧气与锂离子，锂离子回到正极。锂-空气电池与传统锂电池一样，充放电次数愈多，在电池内部产生的副作用就越大。这些副作用就是影响其量产乃至商业化的根本所在。

为了了解这些副作用对电池带来的影响，我们使用研究中心的电化学质谱仪，去精确测量在每一次充放电循环中，消耗与产生的气体量。结果就发现了一个问题：锂-空气电池在充电过程中释放出的氧气比放电时消耗的氧气要少很多。（在试验中，大多使用干氧而不是空气。）

△IBM研究中心的电化学质谱仪（