芝加哥伊利諾伊大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型空氣鋰電池，可在自然空氣環(huán)境下工作，并能達(dá)到750次無損耗充放電循環(huán)。相關(guān)研究已經(jīng)被發(fā)表在《自然》雜志上。

能量無限的空氣鋰電池

鋰電池作為目前使用最為廣泛的儲(chǔ)能方式，相關(guān)研究一直方興未艾，而研究的目的殊途同歸都是為了擴(kuò)大容量，提高能量密度。既然叫做鋰電池，那么陽極必定是就是鋰，因此很多研究也就是對(duì)陰極和電解液做文章，除了各種金屬，近年來越來越流行一種直接將空氣當(dāng)做陰極的鋰電池。

理論上來講，如果將空氣當(dāng)做陰極，似乎就能形成無限大的能量密度，因?yàn)榭諝馐侨≈槐M的，只要能夠保證空氣陰極不斷進(jìn)行反應(yīng)，那么空氣鋰電池的容量就無上限。

當(dāng)然這么好的事情要實(shí)現(xiàn)起來并不簡(jiǎn)單，實(shí)際上陰極必須要和空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)才能保證電池運(yùn)作，因此這種電池也被稱作鋰氧電池，然而空氣中又有太多雜質(zhì)，加上用氧的氧化還原反應(yīng)對(duì)電解液的要求非常高。

這樣一來，在發(fā)電過程中必定會(huì)發(fā)生各種副反應(yīng)，導(dǎo)致陰極在反應(yīng)過程中被各種反應(yīng)物、廢料堆積，循環(huán)不到幾次就不能再使用。此前最好的記錄還是2016年MIT的120次充放電鋰氧電池，超過這個(gè)次數(shù)電池就會(huì)產(chǎn)生損耗。

全面改進(jìn)

此次的改進(jìn)除了針對(duì)電池的陰極，研究人員連鋰金屬陽極和電解液都做了不同程度的改善。

首先，研究人員在陰極周圍使用了一個(gè)碳制造的海綿狀晶格結(jié)構(gòu)包圍層，晶格上還涂有二硫化鉬催化劑，目的就是阻止空氣中的二氧化碳、水蒸氣等雜志對(duì)氧化還原反應(yīng)造成影響。

然后，在金屬鋰的陽極基礎(chǔ)上還涂覆了一層碳酸鋰薄層，該涂層能夠選擇性地允許鋰離子進(jìn)入電解質(zhì)，同時(shí)防止不想要的化合物到達(dá)陽極。

電解液方面，研究人員使用由鋰離子液體和二甲基亞砜的混合電解質(zhì)，此前大部分是使用碳酸這有助于促進(jìn)鋰氧反應(yīng)，使鋰與空氣中其他元素的反應(yīng)最小化，降低了其他副反應(yīng)的發(fā)生。

最后，通過這些方法制成的電池能夠做到750次的無損耗充放電使用，刷新了空氣鋰電池的充放電記錄。

此次研究負(fù)責(zé)人包括伊利諾伊大學(xué)的3位助理教授MohammadAsadi、FatemehKhalili-Araghi和RobertKlie，雖然前兩位為物理學(xué)院，最后一位在化學(xué)學(xué)院，但他們的研究對(duì)象均包括各種新型材料，只是出發(fā)點(diǎn)為物理性質(zhì)或者化學(xué)性質(zhì)，他們發(fā)表此前發(fā)表的論文總共被引用超過8000次。另外，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室此前就對(duì)空氣鋰電池頗有研究，上面提到的MIT的鋰電池就有阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的幫助。

當(dāng)然，空氣鋰電池雖然理論上非常有吸引力，但要真正商業(yè)化落地還差很遠(yuǎn)，哪怕是這次的750次充電，如果整合進(jìn)電動(dòng)車，按照日常使用恐怕2年就不行了。除了要需要繼續(xù)探索可避免副反應(yīng)的材料之外，性價(jià)比也是關(guān)鍵因素，此次研究團(tuán)隊(duì)絲毫未提及價(jià)格的問題，這其中的各種稀有金屬的價(jià)格恐怕也會(huì)制約空氣鋰電池的商業(yè)化落地。