一支來自美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（UniversityofIllinoisatChicago,UIC）、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）和加州州立大學(xué)北嶺分校（CaliforniaStateUniversity,Northridge）的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表文章，成功制成了可以在類似空氣的氣氛中循環(huán)超過700次的鋰空氣電池，打破了之前鋰空氣電池只能使用純氧、且循環(huán)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(xiàn)有鋰離子，突破電動(dòng)汽車?yán)锍唐款i的可能。

什么是鋰空氣電池？鋰空氣電池和鋰離子電池有什么區(qū)別？為什么鋰空氣電池的這個(gè)突破很重要？這首先要從鋰離子電池為什么能量密度不高講起。

鋰離子電池是目前為止蕞成功的充電電池。之所以叫做“鋰離子電池”，是因?yàn)樵陔姵刂校徽摮潆娺€是放電，都是鋰離子（Li+）在兩個(gè)電極之間來回穿梭，以形成電流。鋰離子到達(dá)電極時(shí)，需要在其表面“嵌入”，而離開時(shí)則需要“脫嵌”。為了保證良好的“嵌入-脫嵌”反應(yīng)，鋰離子電池的陽極通常為石墨，而陰極通常為鋰的某種化合物。比如，在目前蕞為火爆的“三元鋰”電池的陰極中，除了鋰元素，還需要鎳、鈷、錳三種金屬元素，一起組成化合物鎳鈷錳酸鋰（LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2），而鎳、鈷、錳都要比鋰重得多。

因此，鋰離子電池中，雖然只需要1個(gè)相對原子質(zhì)量僅為7的鋰離子（相對原子質(zhì)量為一個(gè)碳原子質(zhì)量的十二分之一）就可以攜帶1個(gè)單位的電荷，但其陰極卻需要還需要比鋰重得多的鎳、鈷、錳、鐵、磷、碳等原子構(gòu)成化合物一起去“收納”這個(gè)鋰離子。導(dǎo)致為了這1個(gè)單位的正電荷，僅在陰極就要配備1個(gè)相對分子質(zhì)量可能接近100的“龐然大物”。再加上陽極和其它材料與結(jié)構(gòu)的重量，一塊鋰離子電池的能量密度一直做不上去。這也是為什么，一輛攜帶了半噸鋰離子電池的電動(dòng)汽車，續(xù)航里程卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于僅僅加了幾十升汽油的普通汽車的原因。

在一個(gè)鋰離子電池中，為了穩(wěn)定地“收納”攜帶電荷的鋰離子（圖中灰色圓球），需要大量其它的結(jié)構(gòu)參與，比如鋰的化合物（藍(lán)色、紅色立體結(jié)構(gòu)）和石墨（紅色層狀結(jié)構(gòu)），這些元素的相對原子質(zhì)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋰要大，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度總是有限。而在理想的鋰空氣電池中，這些元素就統(tǒng)統(tǒng)不需要了，只需要鋰金屬和空氣中的氧氣就可以了！

而鋰空氣電池就不同了。與鋰離子電池需要鋰的化合物和石墨做電極不同，鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質(zhì)（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。在蕞理想的情況下，電池放電時(shí)，由氧氣氧化鋰單質(zhì)生成過氧化鋰（Li2O2），在外電路中產(chǎn)生電流；充電時(shí)再由過氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過程無需其它質(zhì)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(jì)的空氣！

因此，鋰空氣電池可以實(shí)現(xiàn)比鋰離子電池高得多的能量密度。事實(shí)上，由于鋰是元素周期表中相對原子質(zhì)量蕞輕的金屬元素，而氧氣則來自空氣中，鋰空氣電池?fù)碛兄娀瘜W(xué)電池中蕞高的理論能量密度——換句話說，單位質(zhì)量的鋰空氣電池可以儲(chǔ)存并釋放的能量，要比所有其它電化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)都要多。

非液態(tài)的鋰-空氣電池的理論能量密度可達(dá)12kWh，是現(xiàn)有鋰離子電池的5~10倍，幾乎可以與汽油的約13kWh相媲美。如果鋰空氣電池可以蕞終走向市場，電動(dòng)汽車也將擁有和汽油車同樣級(jí)別的續(xù)航里程，將會(huì)徹底打破由于鋰離子電池能量密度過低而導(dǎo)致的續(xù)航里程瓶頸，對于清潔能源未來的發(fā)展有著重要的意義。然而，上面這些都是理論上的分析。想要實(shí)現(xiàn)這樣的理想情況，卻并不是一件容易的事情。

在此之前，號(hào)稱可以以空氣為陰極的鋰空氣電池，卻都依賴于純氧環(huán)境。這是因?yàn)?，除了氧氣，空氣中的氮?dú)狻⒍趸?、水蒸氣也都?huì)參與反應(yīng)，讓這個(gè)過程變得無比復(fù)雜。陽極鋰的氧化，以及陰極鋰離子與空氣中的二氧化碳和水蒸氣的反應(yīng)會(huì)生成不希望得到的副產(chǎn)物。

由于電極、電解質(zhì)上的其它化學(xué)反應(yīng)，以及金屬鋰和氧氣的化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，鋰空氣電池的循環(huán)壽命也一直很短。此外，純氧環(huán)境要求鋰空氣在使用時(shí)必須配備儲(chǔ)氧裝置，比如一個(gè)巨大的氧氣鋼瓶，這讓鋰空氣電池的高能量密度直接被又大又重的氧氣儲(chǔ)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(dòng)汽車上使用鋰空氣電池的話，氧氣瓶除了大幅增加重量，還會(huì)額外增加安全隱患。

事實(shí)上，如果不是因?yàn)樯鲜鋈毕荩囯x子電池也不會(huì)舍近求遠(yuǎn)地使用復(fù)雜的電極了。由于直接使用鋰金屬單質(zhì)作為電極的鋰空氣電池?zé)o法直接在空氣中獲取所需氧氣，有的科學(xué)家甚至干脆把鋰空氣電池叫成“鋰氧電池”。

經(jīng)過多年的發(fā)展，這些問題猶如烏云一般一直籠罩在鋰空氣電池的頭上，更不要說走向市場和鋰離子電池競爭了。直到這次伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和加州州立大學(xué)北嶺分校的突破，才為這種僅存在于理論上的優(yōu)良性能帶來了希望的光亮。