充放电700次！电动汽车里程瓶颈有望冲破

一支来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago， UIC）、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和加州州立大学北岭分校（California State University，Northridge）的联合科研团队在《自然》杂志上发表文章，成功制成了可以在类似空气的气氛中循环超过700次的锂空气电池，打破了之前锂空气电池只能使用纯氧、且循环寿命短的限制，让人们看到了这种拥有极高理论能量密度的电池取代现有锂离子，突破电动汽车里程瓶颈的可能。

什么是锂空气电池？锂空气电池和锂离子电池有什么区别？为什么锂空气电池的这个突破很重要？这首先要从锂离子电池为什么能量密度不高讲起。

锂离子电池是目前为止最成功的充电电池。之所以叫做“锂离子电池”，是因为在电池中，不论充电还是放电，都是锂离子（Li＋）在两个电极之间来回穿梭，以形成电流。锂离子到达电极时，需要在其表面“嵌入”，而离开时则需要“脱嵌”。为了保证良好的“嵌入－脱嵌”反应，锂离子电池的阳极通常为石墨，而阴极通常为锂的某种化合物。比如，在目前最为火爆的“三元锂”电池的阴极中，除了锂元素，还需要镍、钴、锰三种金属元素，一起组成化合物镍钴锰酸锂（LiNi0．3Co0．3Mn0．3O2），而镍、钴、锰都要比锂重得多。

因此，锂离子电池中，虽然只需要1个相对原子质量仅为3的锂离子（相对原子质量为一个碳原子质量的十二分之一）就可以携带1个单位的电荷，但其阴极却需要还需要比锂重得多的镍、钴、锰、铁、磷、碳等原子构成化合物一起去“收纳”这个锂离子。导致为了这1个单位的正电荷，仅在阴极就要配备1个相对分子质量可能接近100的“庞然大物”。再加上阳极和其它材料与结构的重量，一块锂离子电池的能量密度一直做不上去。这也是为什么，一辆携带了半吨锂离子电池的电动汽车，续航里程却远远小于仅仅加了几十升汽油的普通汽车的原因。

图丨在一个锂离子电池中，为了稳定地“收纳”携带电荷的锂离子，需要大量其它的结构参与，比如锂的化合物（蓝色、红色立体结构）和石墨（红色层状结构），这些元素的相对原子质量均远远比锂要大，导致锂离子电池的能量密度总是有限。而在理想的锂空气电池中，这些元素就统统不需要了，只需要锂金属和空气中的氧气就可以了！

而锂空气电池就不同了。与锂离子电池需要锂的化合物和石墨做电极不同，锂空气电池可以直接使用锂金属单质（Li）和空气中的氧气（O2）作为电极。在最理想的情况下，电池放电时，由氧气氧化锂单质生成过氧化锂（Li2O2），在外电路中产生电流；充电时再由过氧化锂分解成锂和氧气。全过程无需其它质量较大的元素参与，而阴极甚至可以直接使用重量和成本都可以忽略不计的空气！

因此，锂空气电池可以实现比锂离子电池高得多的能量密度。事实上，由于锂是元素周期表中相对原子质量最轻的金属元素，而氧气则来自空气中，锂空气电池拥有着电化学电池中最高的理论能量密度——换句话说，单位质量的锂空气电池可以储存并释放的能量，要比所有其它电化学储能介质都要多。

非液态的锂－空气电池的理论能量密度可达12kWh／kg，是现有锂离子电池的5～10倍，几乎可以与汽油的约13kWh／kg相媲美。如果锂空气电池可以最终走向市场，电动汽车也将拥有和汽油车同样级别的续航里程，将会彻底打破由于锂离子电池能量密度过低而导致的续航里程瓶颈，对于清洁能源未来的发展有着重要的意义。