充放電700次！電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍唐款i有望沖破

一支來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（University of Illinois at Chicago， UIC）、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）和加州州立大學(xué)北嶺分校（California State University，Northridge）的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表文章，成功制成了可以在類(lèi)似空氣的氣氛中循環(huán)超過(guò)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(huán)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(xiàn)有鋰離子，突破電動(dòng)汽車(chē)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(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3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，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?xún)?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。