锂空气电池突破技术瓶颈，或将成为下一代电池技术标准

上周四，英国剑桥大学研究人员公布的一份文件显示，他们已经开发出了一种锂空气电池，成功解决这种技术中的部分实际问题——尤其是化学上的不稳定问题。在此之前，由于这种化学上的不稳定，锂空气电池会显示出性能迅速衰退的现象。他们所研制出的锂空气电池具有较高的能量密度，并且能够循环充电2000次以上。该电池在理论上的能源使用效率超过90％。

科学家们非常希望锂空气电池有一天能取代我们目前使用的锂离子电池。“锂离子充电电池已经被使用了近25年，”剑桥大学化学系的Clare P. Grey教授在电话中说，“25年前，结构更为紧凑的锂离子电池为便携式电子产品的出现铺平了道路，使我们随身携带的电子设备变得更为轻巧便携。锂离子 电池技术 在当时更适合消费者，而如今，是时候让锂空气电池来替代它了。”

没有哪位化学家或工程师会说，锂离子电池是完美的。随着电动汽车的越来越普及，研究人员也开始将精力集中在研究锂空气电池上。因为锂空气电池比锂离子电池轻得多，更轻的汽车意味着更长的续航里程。可以肯定的是，锂空气电池在理想情况下具有更高的能量密度。理论上说，只有这种电池能让电动汽车在不必携带巨大而笨重的电池组的情况下，拥有可媲美汽油车及柴油车的续航里程。 

仍需10年才能投入商用

在一份新闻稿中，剑桥大学的科学家们表示，虽然他们的研究已经成功克服了锂空气电池技术中最大的障碍，但是将锂空气电池用于商业用途至少还需要10年的时间。

锂空气电池的基本化学原理十分简单。放电时，从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应，产生一种叫过氧化锂的固体产物，填充于碳电极的孔隙中。充电时，化学过程逆转，过氧化锂被分解释放氧气。

锂空气电池的原型其实在很早之前就已经被成功制造了出来，该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍，而由于锂金属在化学上具有极其不稳定性，实际应用时存在多个重大缺陷。如何可靠地令上述反应在许多周期内反复发生，则是该技术面临的最大挑战。

电池的反应产物过氧化锂及反应中间的产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短；由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，这还会导致分解电解液及碳电极等副作用。

放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束；充电时，锂金属负极表面会呈树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患；锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。

化学稳定性得到提升

剑桥大学的研究人员改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料，利用水和碘化锂作为电解液添加剂，最终产生和分解的是氢氧化锂，而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定，大大降低了电池中的副反应，提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外，似乎还起到了保护锂金属负极的作用，使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它，同量的水会直接使电池失效，完全无法充放电。由于石墨烯氧化物具有多孔性，研究人员估计这种电池可循环超过2000次。

研究人员在新闻发布会上表示，他们将锂空气电池中的电压间隙降低到了0.2V，成功提高了电池性能和效率。他们所开发出的锂空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克，是现有锂离子电池的约8倍，可循环充放电上千次，首次循环充放电效率高达93%，即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。

仍有技术难关需攻克

但当前锂空气电池仍然存在一些问题。电压间隙的减小以及石墨烯氧化物电极的大容量导致其只能容纳较小倍率的充放电，位于电池负极的金属锂有时仍会形成影响电池性能的树突。而且，正如我们在前文中所提到的，空气里不仅仅有氧气，在空气中的其他的化合物也可能导致锂空气电池不稳定。

而这些问题的尚未解决，也意味着锂空气电池目前还是不能真正的投入商用。研发新的电池技术是很容易的，但是要将其真正投入使用还是需要攻克许多技术上的难关。研究人员表示他们目前正与多家公司合作，力求尽快推进这项技术。

Via arstechnica