充放電700次！電動汽車里程瓶頸有望沖破

一支來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校（University of Illinois at Chicago， UIC）、阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和加州州立大學北嶺分校（California State University，Northridge）的聯合科研團隊在《自然》雜志上發表文章，成功制成了可以在類似空氣的氣氛中循環超過700次的鋰空氣電池，打破了之前鋰空氣電池只能使用純氧、且循環壽命短的限制，讓人們看到了這種擁有極高理論能量密度的電池取代現有鋰離子，突破電動汽車里程瓶頸的可能。

什么是鋰空氣電池？鋰空氣電池和鋰離子電池有什么區別？為什么鋰空氣電池的這個突破很重要？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”，是因為在電池中，不論充電還是放電，都是鋰離子（Li＋）在兩個電極之間來回穿梭，以形成電流。鋰離子到達電極時，需要在其表面“嵌入”，而離開時則需要“脫嵌”。為了保證良好的“嵌入－脫嵌”反應，鋰離子電池的陽極通常為石墨，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個相對原子質量僅為3的鋰離子（相對原子質量為一個碳原子質量的十二分之一）就可以攜帶1個單位的電荷，但其陰極卻需要還需要比鋰重得多的鎳、鈷、錳、鐵、磷、碳等原子構成化合物一起去“收納”這個鋰離子。導致為了這1個單位的正電荷，僅在陰極就要配備1個相對分子質量可能接近100的“龐然大物”。再加上陽極和其它材料與結構的重量，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汽車，續航里程卻遠遠小于僅僅加了幾十升汽油的普通汽車的原因。

圖丨在一個鋰離子電池中，為了穩定地“收納”攜帶電荷的鋰離子，需要大量其它的結構參與，比如鋰的化合物（藍色、紅色立體結構）和石墨（紅色層狀結構），這些元素的相對原子質量均遠遠比鋰要大，導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，這些元素就統統不需要了，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（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，由氧氣氧化鋰單質生成過氧化鋰（Li2O2），在外電路中產生電流；充電時再由過氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過程無需其它質量較大的元素參與，而陰極甚至可以直接使用重量和成本都可以忽略不計的空氣！

因此，鋰空氣電池可以實現比鋰離子電池高得多的能量密度。事實上，由于鋰是元素周期表中相對原子質量最輕的金屬元素，而氧氣則來自空氣中，鋰空氣電池擁有著電化學電池中最高的理論能量密度——換句話說，單位質量的鋰空氣電池可以儲存并釋放的能量，要比所有其它電化學儲能介質都要多。

非液態的鋰－空氣電池的理論能量密度可達12kWh／kg，是現有鋰離子電池的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，電動汽車也將擁有和汽油車同樣級別的續航里程，將會徹底打破由于鋰離子電池能量密度過低而導致的續航里程瓶頸，對于清潔能源未來的發展有著重要的意義。