近日，來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校、美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和加州州立大學北嶺分校的研究人員在《Nature》上發(fā)表了一篇研究成果，稱已經成功研發(fā)出“鋰空氣”電池，該技術產品最終可能成為鋰離子電池的最佳替代者，有可能幫助突破電動汽車里程瓶頸。

過去的鋰空氣電池工作受到生命周期短和要使用純氧（因此稱為鋰-氧電池）的阻礙；因此氧氣罐必須是電池系統(tǒng)的一部分，由于但由于所占空間大，使其一般不能用于電動汽車輛。而最新研發(fā)的使用外部空氣的鋰空氣電池消除了這個問題。

這項工作的重要特點包括鋰金屬陽極的新保護涂層，該保護涂層可防止陽極與氧發(fā)生反應從而惡化，以及允許電池在空氣中運行的新型電解質混合物。在空氣環(huán)境下的測試中，該電池在700次循環(huán)中保持了高性能，遠遠超過了以前的技術。

“能量儲存容量約為鋰離子電池的3倍，而在進一步研究的情況下，可以實現(xiàn)5倍儲能。”“這將是超越鋰離子電池的重要一步。”芝加哥伊利諾伊大學首席研究員AminSalehi-Khojin表示。假如鋰空氣電池可以最終走向市場，電動汽車也將擁有和汽油車同樣級別的續(xù)航里程！這對清潔能源未來的發(fā)展也將有著重要意義。

芝加哥伊利諾伊大學的研究人員對電池進行了測試、分析和表征，而阿貢的研究人員重要負責基礎科學計算研究，以確定該系統(tǒng)在空氣中的工作方式，以及什么因素有助于提高循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作由約500個原子大小的系統(tǒng)上的數(shù)十個從頭開始的分子動力學模擬組成——這樣的計算很密集且要使用領導級計算設施。

他們使用納米材料中心（CNM）高性能計算集群在較小尺寸（約200個原子）上進行初始運行；根據(jù)Argonne材料科學部的助理材料科學家BadriNarayanan和論文作者的說法，他們每周要用上約128個核心。

在ArgonneLeadershipComputingFacility的Vesta系統(tǒng)上進行了大型系統(tǒng)（500個原子）的更長生產運行。在ALCF上，他們使用了512個計算內核，每個運行周期為3周。所有計算均使用高度平行密度泛函理論代碼（VASP）進行。這些新知識關于科學家繼續(xù)努力開發(fā)全尺寸鋰空氣電池應該是至關重要的。

以下是論文摘要的精華部分：

“然而，迄今為止，由于涉及陰極、陽極和電解質的副反應，這樣的系統(tǒng)基本上局限于純氧環(huán)境（鋰-氧電池）并且循環(huán)壽命有限。在存在氮氣、二氧化碳和水蒸氣的情況下，這些副反應可能變得更加復雜。此外，由于要儲存氧氣、鋰-氧體系的體積能量密度關于實際應用而言可能太小。在這里，我們看到了一個包含碳酸鋰基保護陽極，二硫化鉬陰極和離子液體/二甲基亞砜電解質的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作，循環(huán)壽命長達700次。

“我們進行計算研究，以深入了解該環(huán)境中系統(tǒng)的運行情況。這種在類似空氣的氣氛中循環(huán)壽命長的鋰-氧電池的展示是超越鋰離子技術向該領域發(fā)展的重要步驟，可能獲得比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度離子電池。”