如果电动汽车想要在续航里程上媲美燃油汽车，它们的电池就需要存储更多能量。锂空气（或锂氧）电池是最佳候选者之一，但一直受到严重障碍的阻碍。但英国剑桥大学的化学家们公布了一种更耐用的设计，为克服这些问题带来了希望。
剑桥大学克莱尔·格雷及其同事设计的电池是小型实验室原型——距离汽车电池组还很遥远——但费城宾夕法尼亚州德雷塞尔大学的材料化学家尤里·戈戈齐表示，他们创新的材料组合“解决了锂氧技术的几个主要问题”。
戈戈齐说，今天发表在《科学》杂志上的这项工作“看起来确实很有趣”，但他告诫说，“这仍然只是好的科学——在小型电池上进行的实验室工作”，尚未接近可推向市场的技术。
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呼吸电池
锂空气电池，也称为呼吸电池，利用锂金属与空气中的氧气反应时产生的能量。由于它们不必携带其主要成分之一（氧气），并且由于锂金属具有低密度，因此理论上，它们每公斤可以存储与汽油发动机一样多的能量。这意味着这些电池的能量密度可能是目前电动汽车中最好的电池组的十倍，研究人员希望这能让汽车行驶 800 公里之远，然后才需要充电。
尽管有这样的前景，一些化学家已经放弃了让呼吸电池工作的希望。“虽然锂空气电池具有很高的理论能量存储容量，但在实践中却非常难以实现，”格雷承认。主要问题是化学反应会产生不需要的副产物，这些副产物会堵塞电极、破坏电池材料或使设备短路。因此，这些电池通常在几十次充放电循环后就会失效。
但格雷和她的团队引入了一系列创新，使他们的设计更耐用。
在电池中，锂离子从锂金属负极（阳极）释放出来，并在电解质中流向碳基正极（阴极）。电流的产生是因为，与此同时，电子从阳极沿闭合电路流向阴极。
在该团队的原型中，电解质是一种名为二甲氧基乙烷的有机溶剂，与碘化锂盐混合。使用这些成分，当离子在阴极与氧气反应时，它们会产生氢氧化锂晶体。许多早期电池设计反而产生过氧化锂，这是一种白色固体，会积聚在电极上，并且在电池充电期间难以去除。相比之下，氢氧化锂在电池充电时很容易分解。
稳定设计
早期一些设计的一个问题是，高活性锂金属会与电解质反应并破坏电解质，并且该反应的产物会涂覆锂阳极并使其失效。格雷的电池似乎没有发生这种情况。格雷说，因此，电池可以工作数百次循环，性能仅略有下降。她估计，她的团队的电池每公斤可以存储至少五倍于当今某些电动汽车（例如加利福尼亚州帕洛阿尔托的特斯拉汽车公司生产的电动汽车）中使用的锂离子电池的能量。
这些电池的另一项创新是用于阴极的材料。许多以前的锂空气电池都使用各种形式的多孔碳，但格雷及其同事制造的电池包含一种相对较新的变体，称为还原氧化石墨烯：纯碳薄片，只有一个原子厚，通过化学氧化过程从石墨中剥离出来，然后“还原”回高度多孔形式的碳。
戈戈齐说，“还原氧化石墨烯电极具有弹性”，这可能有助于电池在多次充放电循环中表现良好。然而，他补充说，“没有理由相信已经找到了理想的电极结构”。
“据我所知，这是首次研究这种特定的材料组合，”帕洛阿尔托博世研究和技术中心的锂空气电池专家杰克·克里斯滕森说。但他指出了商业化的几个问题。他表示，特别是，该电池提供的电流密度比汽车所需的电流密度低 20-50 倍。“我们的最佳性能是在非常低的电流密度下获得的，”格雷承认，“因此我们离汽车电池所需的数字还差得很远。”她补充说，如果这项技术能够成功应用，其首要用途可能是作为非用于汽车电池组的充电电池。
本文经许可转载，并于2015 年 10 月 29 日首次发布。