如果電動汽車想要在續航里程上媲美燃油汽車，它們的電池就需要儲存更多能量。鋰空氣（或鋰氧）電池是最佳候選者之一，但一直受到嚴重障礙的阻礙。但英國劍橋大學的化學家們公佈了一種更耐用的設計，為克服這些問題帶來了希望。
劍橋大學克萊爾·格雷及其同事設計的電池是小型實驗室原型——距離汽車電池組還很遙遠——但費城賓夕法尼亞州德雷塞爾大學的材料化學家尤里·戈戈齊表示，他們創新的材料組合“解決了鋰氧技術的幾個主要問題”。
戈戈齊說，今天發表在《科學》雜誌上的這項工作“看起來確實很有趣”，但他告誡說，“這仍然只是好的科學——在小型電池上進行的實驗室工作”，尚未接近可推向市場的技術。
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呼吸電池
鋰空氣電池，也稱為呼吸電池，利用鋰金屬與空氣中的氧氣反應時產生的能量。由於它們不必攜帶其主要成分之一（氧氣），並且由於鋰金屬具有低密度，因此理論上，它們每公斤可以儲存與汽油發動機一樣多的能量。這意味著這些電池的能量密度可能是目前電動汽車中最好的電池組的十倍，研究人員希望這能讓汽車行駛 800 公里之遠，然後才需要充電。
儘管有這樣的前景，一些化學家已經放棄了讓呼吸電池工作的希望。“雖然鋰空氣電池具有很高的理論能量儲存容量，但在實踐中卻非常難以實現，”格雷承認。主要問題是化學反應會產生不需要的副產物，這些副產物會堵塞電極、破壞電池材料或使裝置短路。因此，這些電池通常在幾十次充放電迴圈後就會失效。
但格雷和她的團隊引入了一系列創新，使他們的設計更耐用。
在電池中，鋰離子從鋰金屬負極（陽極）釋放出來，並在電解質中流向碳基正極（陰極）。電流的產生是因為，與此同時，電子從陽極沿閉合電路流向陰極。
在該團隊的原型中，電解質是一種名為二甲氧基乙烷的有機溶劑，與碘化鋰鹽混合。使用這些成分，當離子在陰極與氧氣反應時，它們會產生氫氧化鋰晶體。許多早期電池設計反而產生過氧化鋰，這是一種白色固體，會積聚在電極上，並且在電池充電期間難以去除。相比之下，氫氧化鋰在電池充電時很容易分解。
穩定設計
早期一些設計的一個問題是，高活性鋰金屬會與電解質反應並破壞電解質，並且該反應的產物會塗覆鋰陽極並使其失效。格雷的電池似乎沒有發生這種情況。格雷說，因此，電池可以工作數百次迴圈，效能僅略有下降。她估計，她的團隊的電池每公斤可以儲存至少五倍於當今某些電動汽車（例如加利福尼亞州帕洛阿爾託的特斯拉汽車公司生產的電動汽車）中使用的鋰離子電池的能量。
這些電池的另一項創新是用於陰極的材料。許多以前的鋰空氣電池都使用各種形式的多孔碳，但格雷及其同事製造的電池包含一種相對較新的變體，稱為還原氧化石墨烯：純碳薄片，只有一個原子厚，透過化學氧化過程從石墨中剝離出來，然後“還原”回高度多孔形式的碳。
戈戈齊說，“還原氧化石墨烯電極具有彈性”，這可能有助於電池在多次充放電迴圈中表現良好。然而，他補充說，“沒有理由相信已經找到了理想的電極結構”。
“據我所知，這是首次研究這種特定的材料組合，”帕洛阿爾託博世研究和技術中心的鋰空氣電池專家傑克·克里斯滕森說。但他指出了商業化的幾個問題。他表示，特別是，該電池提供的電流密度比汽車所需的電流密度低 20-50 倍。“我們的最佳效能是在非常低的電流密度下獲得的，”格雷承認，“因此我們離汽車電池所需的數字還差得很遠。”她補充說，如果這項技術能夠成功應用，其首要用途可能是作為非用於汽車電池組的充電電池。
本文經許可轉載，並於2015 年 10 月 29 日首次釋出。