“終極電池”研究有重大進展

多年來，鋰－空氣電池被業界譽為“終極電池”，因為理論上它可使電動車續航能力接近傳統汽油汽車，甚至可用于電網儲電。英國劍橋大學研究人員29日報告說，他們克服了困擾鋰－空氣電池的多個技術難題，把這項技術朝實用化方向推進了一大步。

這項成果發表在新一期美國《科學》雜志上，該雜志還專門為此舉行了電話記者會。

論文第一作者、劍橋大學的劉韜博士在接受新華社記者采訪時介紹說，近20年來，鋰－空氣電池在全球被廣泛研究。典型情況下，這種電池使用鋰金屬作為負極材料，正極則為多孔的導電碳材料。放電時，從負極出發的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應，產生一種叫過氧化鋰的固體產物，填充于碳電極的孔隙中。充電時，化學過程逆轉，過氧化鋰被分解釋放氧氣。該電池的蓄電能力理論上是目前市場上鋰離子電池的10倍，但實際應用時卻存在多個重大缺陷。

劉韜說，該電池的反應產物過氧化鋰及反應中間產物超氧化鋰都有較高的反應活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，還會導致分解電解液及碳電極等副作用；放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導致放電提前結束；充電時，鋰金屬負極表面會以樹枝狀向正極生長，最終可能導致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。

在最新工作中，劉韜等人改用多層次的大孔石墨烯作為正極材料，利用水和碘化鋰作為電解液添加劑，最終產生和分解的是氫氧化鋰，而不是此前電池中的過氧化鋰。氫氧化鋰比過氧化鋰要穩定，大大降低了電池中的副反應，提高了電池性能。其中碘化鋰除了幫助分解氫氧化鋰外，似乎還起到了保護鋰金屬負極的作用，使電池對于過量的水有一定的免疫性。沒有它，同量的水會直接使電池失效，完全無法充放電。

他們開發出的鋰－空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時／千克，是現有鋰離子電池的約8倍，可循環充放電上千次，首次循環充放電效率高達93%，即充入電池中93%的能量在放電時都能被使用。

劉韜說，這一工作為加快鋰－空氣電池的發展提供了許多新思路，比如使用多層次大孔石墨烯電極和電解液添加劑來改變電池反應產物、減少電池副反應、提高蓄電能力等。但他也強調，他們只解決了鋰－空氣電池的部分難題，接下來將研究該電池的充放電速率以及鋰金屬負極的保護和安全隱患等問題。

他說：“這些問題都具有挑戰性，例如鋰金屬樹枝狀生長導致的安全問題，在鋰電池界已存在了多年，必須有重大創新才可能解決此老大難問題。我想在這些關鍵問題也被解決之前，談論鋰－空氣電池何時走向市場還為時尚早。相信我們這次發表的工作會鼓勵人們在鋰－空氣電池技術上有更多的投入。”