[转帖]锂空气电池也许真有戏，因为“足够好”

开山鼻祖

作者：王星炜Steven

    你也许会奇怪明明我们今天谈的是锂-空气（Li-Air）电池技术为什么封面图却是一位老爷爷。那如果我告诉你标题中的“足够好”并不是一个形容词，而是一个人名，你会感到惊讶吗？因为今天要介绍的就是John Goodenough教授和他引领的锂-空气电池研究。John Goodenough教授的中文官方译名是约翰-古迪纳夫教授，但我更喜欢按照直译叫他“足够好”教授。因为这个名字真的略显霸气。
    可能大家对这位“足够好”教授并不十分了解。但是当你知道他其实是可充电锂离子电池的发明者，并且领导了项目组发明了可以量产的锂离子电池和磷酸铁锂电池技术，你会有兴趣随着我了解一下他的研究历史背景和目前锂-空气电池的研究进展吗？

    那我们先从“足够好”教授的传奇人生开始讲起。老先生攻读的大学是美国名校耶鲁，不过修的却是文学和数学学位。在攻读文学学位的过程中喜欢上了哲学，并且为科学哲学所吸引下定决心一定要去读物理方向的研究生。话说老爷子涉猎的方面可真广啊。1946年老先生终于如愿进入芝加哥大学攻读固态物理。当时他师从Clarence Zener，并最终得到了固态物理的博士学位。看到这位老师的名字是不是觉得有点眼熟。是的，Clarence Zener在贝尔实验室工作期间发明了Zener Diode齐纳二极管。齐纳就是这位老师的名字，并以他的名字命名该二极管技术。可以说齐纳二极管是现代半导体技术的核心基础之一。有这么牛的老师，学生的理论基础那必然是相当的扎实了。
    “足够好”老先生的个人成就也证明了这一点。1952年“足够好”老先生进入了MIT的林肯实验室，进行关于内存的材料物理研究，发现了材料中磁体超级交换的规律被称为Goodenough-Kanamori规律。并在此时接触并深入研究了Li离子在固体中的迁移规律。
    发明可充电锂离子电池：70年代离开MIT林肯实验室之后老先生收到了牛津大学的邀请进入了无机化学实验室开始了他的固体化学的研究之路。他引领的项目组和SONY公司合作开发出了基于碳材料正极和锂钴氧LiCoO2材料负极的可充电离子电池。也就是目前广泛采用的锂离子电池技术。
    开发磷酸铁锂电池技术：基于锂钴氧LiCoO2材料的锂离子电池由于钴元素稀缺的原因成本很高。老先生一直想找寻一种成本更低性能更高的锂电池技术。1986年“足够好”先生受聘于德克萨斯大学奥丁学院机电工程学院担任教授。并在此期间引领项目组开发了低成本的磷酸铁锂LixFePO4负极材料。其安全性被实验证明完全可以满足混动动力汽车的高功率动力电池应用。而材料的专利最终被Hydro-Quebec公司买下并真正应用到混动动力汽车应用中。该负极材料最终被市场证明具有很好的充放电性能、廉价、安全并且对环境无污染。国际知名的电池供应商中目前被万向收购的A123公司使用的锂电池技术就是该磷酸铁锂LixFePO4负极材料专利。A123 M1A和M1B磷酸铁锂电池系列以其优异的电池循环寿命、安全性、低自放电（几乎无限的库存存放寿命）等特性，使得以这些优势著称的镍氢NiMH电池都黯然失色。下图为A123的M1B系列26650电池。具体型号为ANR26650M1-B。26650的含义：26为圆柱体电池直径，650为电池长度。因此26650电池与特斯拉汽车使用的18650电池长度相同，直径更大。

    “足够好”教授在2013年接受了美国总统奥巴马颁发的美国国家科学奖章（又称总统科学奖章），表彰他为科学作出的杰出贡献。如下就是颁发奖章时奥巴马和“足够好”教授的合影。

    “足够好”教授目前是德克萨斯大学奥丁学院的终生教授，但他并没有在67岁退休。1922年出生的他，今年已经93岁高龄。他仍然坚持工作，继续电池材料的研究，并且将他的知识和精神不断的传授给他的学生。
    那么“足够好”教授目前又在锂-空气电池领域实现了什么样的突破呢？首先我们先来啰嗦几句什么是锂-空气电池。要知道尽管电池技术在持续发展，但目前我们使用的锂离子电池或者磷酸铁锂电池的能量密度最大只有200Wh/kg左右。换句话说特斯拉汽车续航里程已经算比较大的了，差不多是600公里，但其整车重量已经达到了2吨左右。而锂-空气电池使用碱性固态电解质中的空气作为负极材料，它和锂离子产生的产物是氧化锂Li2O2。目前能够生产出的锂-空气电池的能量密度已经达到了500Wh/kg左右。是目前锂离子电池或者磷酸铁锂电池技术的2.5倍。并且要知道锂-空气电池的理论能量密度的极限是12kWh/kg。也就是说它至少还有20倍的提升空间。而这个理论能量密度已经接近了目前汽油的等效能量密度13kWh/kg。如果考虑上电机的效率是汽油内燃机的2.5倍这个因素的话，锂-空气电池技术完全有实力去全面替代目前的汽油作为新一代理想的汽车动力源。目前蓝色巨人IBM就在成功转型咨询服务行业以后，手握大量的基础技术专利。IBM开始染指锂-空气电池技术，发起了名为The Battery 500 project的项目。目标是将电动汽车的续航里程提升到500miles，即800公里。如下就是IBM The Battery 500 project原型产品示意图。

    那么锂-空气电池实现的一个关键点就是让锂离子和空气进行充分的接触。如下就是目前的锂-空气电池内部结构和人体肺部的比较图。图中可以看到左侧锂-空气电池的内部结构为了提高空气的接触面积而设计和右侧人体肺部结构非常类似。

    而“足够好”教授领导的研究小组刚刚在美国化学学会期刊Journalof the American Chemical Society（JACS）上发表了其最新的关于锂-空气电池的研究结果。目前为了提高锂-空气电池的循环寿命，主要采用的方法是加入基于金属材料铂Pt的催化剂碳化铂PtC。对，就是结婚戒指使用的铂金材料。那成本不用说就贵的吓人。为了降低催化剂材料的成本，“足够好”教授领导的研究小组研究出了使用基于成本更低的金属材料钯Pd的催化剂Pd3FeC大大提升了锂-空气电池的循环寿命(880小时，220次循环，较原来提升接近4倍)。如下图片就是催化剂Pd3FeC的结构示意图和使用传统催化剂（下）锂-空气电池和使用催化剂Pd3FeC（上）锂-空气电池循环寿命比较图。

    今天我们介绍了传奇人物John Goodenough“足够好”教授发明锂离子电池和磷酸铁锂电池技术的故事，并且介绍了他在最前沿的锂-空气电池技术方面的突破。目前有种声音，那就是如果这个星球上有人能够真的实现锂-空气电池的量产化的话，那“足够好”教授绝对就是其中的重要人选。愿这位神奇的老爷爷发扬他的科学精神，继续他的传奇人生。