什么是鋰空氣電池？鋰空氣電池和鋰離子電池有什么區(qū)別？為什么鋰空氣電池的這個(gè)突破很重要？這首先要從鋰離子電池為什么能量密度不高講起。

鋰離子電池是目前為止最成功的充電電池。之所以叫做“鋰離子電池”，是因?yàn)樵陔姵刂校徽摮潆娺€是放電，都是鋰離子（Li+）在兩個(gè)電極之間來(lái)回穿梭，以形成電流。鋰離子到達(dá)電極時(shí)，需要在其表面“嵌入”，而離開(kāi)時(shí)則需要“脫嵌”。為了保證良好的“嵌入-脫嵌”反應(yīng)，鋰離子電池的陽(yáng)極通常為石墨，而陰極通常為鋰的某種化合物。比如，在目前最為火爆的“三元鋰”電池的陰極中，除了鋰元素，還需要鎳、鈷、錳三種金屬元素，一起組成化合物鎳鈷錳酸鋰（LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2），而鎳、鈷、錳都要比鋰重得多。

因此，鋰離子電池中，雖然只需要 1 個(gè)相對(duì)原子質(zhì)量?jī)H為 7 的鋰離子（相對(duì)原子質(zhì)量為一個(gè)碳原子質(zhì)量的十二分之一）就可以攜帶 1 個(gè)單位的電荷，但其陰極卻需要還需要比鋰重得多的鎳、鈷、錳、鐵、磷、碳等原子構(gòu)成化合物一起去“收納”這個(gè)鋰離子。導(dǎo)致為了這 1 個(gè)單位的正電荷，僅在陰極就要配備 1 個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量可能接近 100 的“龐然大物”。再加上陽(yáng)極和其它材料與結(jié)構(gòu)的重量，一塊鋰離子電池的能量密度一直做不上去。這也是為什么，一輛攜帶了半噸鋰離子電池的電動(dòng)汽車(chē)，續(xù)航里程卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于僅僅加了幾十升汽油的普通汽車(chē)的原因。

圖丨 在一個(gè)鋰離子電池中，為了穩(wěn)定地“收納”攜帶電荷的鋰離子（圖中灰色圓球），需要大量其它的結(jié)構(gòu)參與，比如鋰的化合物（藍(lán)色、紅色立體結(jié)構(gòu)）和石墨（紅色層狀結(jié)構(gòu)），這些元素的相對(duì)原子質(zhì)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋰要大，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度總是有限。而在理想的鋰空氣電池中，這些元素就統(tǒng)統(tǒng)不需要了，只需要鋰金屬和空氣中的氧氣就可以了！

而鋰空氣電池就不同了。與鋰離子電池需要鋰的化合物和石墨做電極不同，鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質(zhì)（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。在最理想的情況下，電池放電時(shí)，由氧氣氧化鋰單質(zhì)生成過(guò)氧化鋰（Li2O2），在外電路中產(chǎn)生電流；充電時(shí)再由過(guò)氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過(guò)程無(wú)需其它質(zhì)量較大的元素參與，而陰極甚至可以直接使用重量和成本都可以忽略不計(jì)的空氣！

因此，鋰空氣電池可以實(shí)現(xiàn)比鋰離子電池高得多的能量密度。事實(shí)上，由于鋰是元素周期表中相對(duì)原子質(zhì)量最輕的金屬元素，而氧氣則來(lái)自空氣中，鋰空氣電池?fù)碛兄娀瘜W(xué)電池中最高的理論能量密度——換句話說(shuō)，單位質(zhì)量的鋰空氣電池可以儲(chǔ)存并釋放的能量，要比所有其它電化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)都要多。

非液態(tài)的鋰-空氣電池的理論能量密度可達(dá) 12kWh/kg，是現(xiàn)有鋰離子電池的 5~10 倍，幾乎可以與汽油的約 13kWh/kg 相媲美。如果鋰空氣電池可以最終走向市場(chǎng)，電動(dòng)汽車(chē)也將擁有和汽油車(chē)同樣級(jí)別的續(xù)航里程，將會(huì)徹底打破由于鋰離子電池能量密度過(guò)低而導(dǎo)致的續(xù)航里程瓶頸，對(duì)于清潔能源未來(lái)的發(fā)展有著重要的意義。

然而，上面這些都是理論上的分析。想要實(shí)現(xiàn)這樣的理想情況，卻并不是一件容易的事情。

在此之前，號(hào)稱(chēng)可以以空氣為陰極的鋰空氣電池，卻都依賴(lài)于純氧環(huán)境。這是因?yàn)椋搜鯕?，空氣中的氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣也都?huì)參與反應(yīng)，讓這個(gè)過(guò)程變得無(wú)比復(fù)雜。陽(yáng)極鋰的氧化，以及陰極鋰離子與空氣中的二氧化碳和水蒸氣的反應(yīng)會(huì)生成不希望得到的副產(chǎn)物。

由于電極、電解質(zhì)上的其它化學(xué)反應(yīng)，以及金屬鋰和氧氣的化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，鋰空氣電池的循環(huán)壽命也一直很短。此外，純氧環(huán)境要求鋰空氣在使用時(shí)必須配備儲(chǔ)氧裝置，比如一個(gè)巨大的氧氣鋼瓶，這讓鋰空氣電池的高能量密度直接被又大又重的氧氣儲(chǔ)罐攤平，而電池的容量還要依賴(lài)于氧氣瓶的容量。更何況，如果想要在電動(dòng)汽車(chē)上使用鋰空氣電池的話，氧氣瓶除了大幅增加重量，還會(huì)額外增加安全隱患。

事實(shí)上，如果不是因?yàn)樯鲜鋈毕?，鋰離子電池也不會(huì)舍近求遠(yuǎn)地使用復(fù)雜的電極了。由于直接使用鋰金屬單質(zhì)作為電極的鋰空氣電池?zé)o法直接在空氣中獲取所需氧氣，有的科學(xué)家甚至干脆把鋰空氣電池叫成“鋰氧電池”。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這些問(wèn)題猶如烏云一般一直籠罩在鋰空氣電池的頭上，更不要說(shuō)走向市場(chǎng)和鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)了。直到這次伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州州立大學(xué)北嶺分校的突破，才為這種僅存在于理論上的優(yōu)良性能帶來(lái)了希望的光亮。

如果要解決鋰-空氣電池的致命缺陷，就必須想辦法阻止空氣中含有的各種化學(xué)物質(zhì)——氮?dú)狻⒍趸?、水蒸氣等組份參與副反應(yīng)。這些副反應(yīng)會(huì)對(duì)電極、鋰離子和電解質(zhì)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。研究人員針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，使用了計(jì)算機(jī)模擬（密度泛函分析）和實(shí)驗(yàn)研究的方法進(jìn)行了深入的研究，終于，他們找到了一個(gè)答案：在鋰金屬電極上加一個(gè)保護(hù)層。

該技術(shù)的核心是，在陽(yáng)極，他們?yōu)殇嚱饘僭黾恿艘粚佑?span style="font-weight: 600; font-synthesis: style;">碳酸鋰/碳（LiCO3/C）組成的致密的保護(hù)性涂層。

而涂層的過(guò)程異常簡(jiǎn)單：直接由鋰金屬與二氧化碳通過(guò) 10 次充放電循環(huán)，在電極的表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，就可以完成。碳酸鋰會(huì)阻止鋰離子之外的其它化合物進(jìn)入，從而保護(hù)陽(yáng)極不受空氣中氧氣之外的其它組份的破壞。而在大氣環(huán)境中，碳酸鋰并不會(huì)和空氣中的水蒸氣產(chǎn)生自發(fā)反應(yīng)，因此這個(gè)保護(hù)層既不會(huì)參與電池的化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)被破壞。在涂層的保護(hù)下，單次循環(huán)的鋰保持率高達(dá) 99.97%，大幅優(yōu)于沒(méi)有涂層的鋰空氣電池。圖丨致密的陽(yáng)極保護(hù)圖層（比例尺：圖中綠線長(zhǎng)度的為 1 微米）

圖丨正在穿越 Li2CO3 涂層的氧分子

為了測(cè)試這個(gè)電池的性能，研究人員使用了之前已經(jīng)被其它研究報(bào)道過(guò)的二硫化鉬（MoS2）納米片作為陰極，并采用了由 1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate，EMIM-BF4）和二甲基亞砜（Dimethyl sulfoxide, DMSO）組成的混合物作為電解質(zhì)。在陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)的協(xié)同工作下，該鋰空氣電池被置于模擬的空氣環(huán)境中——79% 的氮?dú)狻?1% 的氧氣、500ppm 的二氧化碳和 45% 的相對(duì)濕度，溫度為 25°C。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在 700 次的充放電循環(huán)之后，鋰空氣電池沒(méi)有出現(xiàn)任何的失效。這個(gè)成績(jī)超出了許多人的預(yù)期，甚至已經(jīng)達(dá)到了部分技術(shù)成熟的商用電池（如鉛酸電池）的循環(huán)壽命。

研究團(tuán)隊(duì)因此得出了這樣的結(jié)論：“受保護(hù)的鋰陽(yáng)極、電解質(zhì)混合物和高性能的空氣陰極，在模擬空氣條件下協(xié)同工作，能有效提高鋰-空氣電池的循環(huán)次數(shù)。”

與此同時(shí)，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還在繼續(xù)對(duì)這個(gè)電池反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以期進(jìn)一步了解反應(yīng)機(jī)理，從而在未來(lái)提升電池的性能，為將來(lái)可能的商業(yè)化提供理論支撐。

需要指出的是，雖然這項(xiàng)研究離商業(yè)應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)、其能量密度也離最優(yōu)存在不小的距離，但它毫無(wú)疑問(wèn)是鋰空氣電池發(fā)展的重大進(jìn)步。

這次的研究成果證明，鋰空氣電池確實(shí)可以屏蔽其它氣體的干擾，直接從類(lèi)似空氣的氣體環(huán)境中獲取氧氣，擺脫對(duì)氧氣儲(chǔ)存裝置的依賴(lài)，而且循環(huán)壽命還很長(zhǎng)。這無(wú)疑極大地增強(qiáng)了研究者和產(chǎn)業(yè)界對(duì)于這種革命性電池技術(shù)未來(lái)發(fā)展的信心：

既然最重要的困擾都已經(jīng)有了清晰的解決方案，剩下的可能根本就不是什么致命的問(wèn)題了！也許用不了多久，研究人員就能制造出能量密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)的新型電池，而這將無(wú)疑徹底改變現(xiàn)有的能源格局。作為一名新能源三電架構(gòu)設(shè)計(jì)者，我覺(jué)得換電不能普及有以下幾個(gè)原因，目前先想到這么多