近日，一個重要的研究進展極大地振奮了電化學儲能領域。

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 次的锂空氣電池，打破了之前锂空氣電池隻能使用純氧、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锂離子，突破電動汽車裡程瓶頸的可能。

什麼是锂空氣電池？锂空氣電池和锂離子電池有什麼區别？為什麼锂空氣電池的這個突破很重要？這首先要從锂離子電池為什麼能量密度不高講起。

锂離子電池是目前為止最成功的充電電池。之所以叫做“锂離子電池”，是因為在電池中，不論充電還是放電，都是锂離子（Li ）在兩個電極之間來回穿梭，以形成電流。锂離子到達電極時，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，锂離子電池的陽極通常為石墨，而陰極通常為锂的某種化合物。比如，在目前最為火爆的“三元锂”電池的陰極中，除了锂元素，還需要鎳、钴、錳三種金屬元素，一起組成化合物鎳钴錳酸锂（LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2），而鎳、钴、錳都要比锂重得多。

圖丨 在一個锂離子電池中，為了穩定地“收納”攜帶電荷的锂離子（圖中灰色圓球），需要大量其它的結構參與，比如锂的化合物（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锂要大，導緻锂離子電池的能量密度總是有限。而在理想的锂空氣電池中，這些元素就統統不需要了，隻需要锂金屬和空氣中的氧氣就可以了！

而锂空氣電池就不同了。與锂離子電池需要锂的化合物和石墨做電極不同，锂空氣電池可以直接使用锂金屬單質（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，由氧氣氧化锂單質生成過氧化锂（Li2O2），在外電路中産生電流；充電時再由過氧化锂分解成锂和氧氣。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，锂空氣電池可以實現比锂離子電池高得多的能量密度。事實上，由于锂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，锂空氣電池擁有着電化學電池中最高的理論能量密度——換句話說，單位質量的锂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。

非液态的锂-空氣電池的理論能量密度可達 12kWh/kg，是現有锂離子電池的 5~10 倍，幾乎可以與汽油的約 13kWh/kg 相媲美。如果锂空氣電池可以最終走向市場，電動汽車也将擁有和汽油車同樣級别的續航裡程，将會徹底打破由于锂離子電池能量密度過低而導緻的續航裡程瓶頸，對于清潔能源未來的發展有着重要的意義。

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

在此之前，号稱可以以空氣為陰極的锂空氣電池，卻都依賴于純氧環境。這是因為，除了氧氣，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣也都會參與反應，讓這個過程變得無比複雜。陽極锂的氧化，以及陰極锂離子與空氣中的二氧化碳和水蒸氣的反應會生成不希望得到的副産物。

由于電極、電解質上的其它化學反應，以及金屬锂和氧氣的化學性質都比較活潑，锂空氣電池的循環壽命也一直很短。此外，純氧環境要求锂空氣在使用時必須配備儲氧裝置，比如一個巨大的氧氣鋼瓶，這讓锂空氣電池的高能量密度直接被又大又重的氧氣儲罐攤平，而電池的容量還要依賴于氧氣瓶的容量。更何況，如果想要在電動汽車上使用锂空氣電池的話，氧氣瓶除了大幅增加重量，還會額外增加安全隐患。

事實上，如果不是因為上述缺陷，锂離子電池也不會舍近求遠地使用複雜的電極了。由于直接使用锂金屬單質作為電極的锂空氣電池無法直接在空氣中獲取所需氧氣，有的科學家甚至幹脆把锂空氣電池叫成“锂氧電池”。

經過多年的發展，這些問題猶如烏雲一般一直籠罩在锂空氣電池的頭上，更不要說走向市場和锂離子電池競争了。直到這次伊利諾伊大學芝加哥分校、阿貢國家實驗室和加州州立大學北嶺分校的突破，才為這種僅存在于理論上的優良性能帶來了希望的光亮。

如果要解決锂-空氣電池的緻命缺陷，就必須想辦法阻止空氣中含有的各種化學物質——氮氣、二氧化碳、水蒸氣等組份參與副反應。這些副反應會對電極、锂離子和電解質産生影響，産生不需要的副産物。研究人員針對這個問題，使用了計算機模拟（密度泛函分析）和實驗研究的方法進行了深入的研究，終于，他們找到了一個答案：在锂金屬電極上加一個保護層。

該技術的核心是，在陽極，他們為锂金屬增加了一層由碳酸锂/碳（LiCO3/C）組成的緻密的保護性塗層。

而塗層的過程異常簡單：直接由锂金屬與二氧化碳通過 10 次充放電循環，在電極的表面進行化學反應，就可以完成。碳酸锂會阻止锂離子之外的其它化合物進入，從而保護陽極不受空氣中氧氣之外的其它組份的破壞。而在大氣環境中，碳酸锂并不會和空氣中的水蒸氣産生自發反應，因此這個保護層既不會參與電池的化學反應，也不會被破壞。在塗層的保護下，單次循環的锂保持率高達 99.97%，大幅優于沒有塗層的锂空氣電池。

圖丨緻密的陽極保護圖層（比例尺：圖中綠線長度的為 1 微米）

圖丨正在穿越 Li2CO3 塗層的氧分子

為了測試這個電池的性能，研究人員使用了之前已經被其它研究報道過的二硫化钼（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。在陽極、陰極、電解質的協同工作下，該锂空氣電池被置于模拟的空氣環境中——79% 的氮氣、21% 的氧氣、500ppm 的二氧化碳和 45% 的相對濕度，溫度為 25°C。

經過測試，在 700 次的充放電循環之後，锂空氣電池沒有出現任何的失效。這個成績超出了許多人的預期，甚至已經達到了部分技術成熟的商用電池（如鉛酸電池）的循環壽命。

研究團隊因此得出了這樣的結論：“受保護的锂陽極、電解質混合物和高性能的空氣陰極，在模拟空氣條件下協同工作，能有效提高锂-空氣電池的循環次數。”

與此同時，阿貢國家實驗室還在繼續對這個電池反應進行計算機模拟，以期進一步了解反應機理，從而在未來提升電池的性能，為将來可能的商業化提供理論支撐。

需要指出的是，雖然這項研究離商業應用還非常遙遠、其能量密度也離最優存在不小的距離，但它毫無疑問是锂空氣電池發展的重大進步。

這次的研究成果證明，锂空氣電池确實可以屏蔽其它氣體的幹擾，直接從類似空氣的氣體環境中獲取氧氣，擺脫對氧氣儲存裝置的依賴，而且循環壽命還很長。這無疑極大地增強了研究者和産業界對于這種革命性電池技術未來發展的信心：

既然最重要的困擾都已經有了清晰的解決方案，剩下的可能根本就不是什麼緻命的問題了！也許用不了多久，研究人員就能制造出能量密度遠高于現有锂離子電池技術的新型電池，而這将無疑徹底改變現有的能源格局。