伊利诺伊州阿贡 — 在芝加哥西南20英里处，政府研究人员正在追求汽车界的“真命天子”。
它动力强劲、续航持久、价格合理，而且永远不会爆炸。
这可以用来描述完美的汽车电池，它必须平衡多种因素，才能吸引美国大众购买电动汽车。
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但目前，“真命天子”只是一本笔记本上的一组方程式。
“理论上，它在纸上是可行的，”阿贡国家实验室交通研究中心主任唐·希勒布兰德说。
在阿贡国家实验室和其他地方，研究人员才刚刚开始破解一项有前景的技术背后的基本科学原理：锂空气电池。如果他们的理论正确，这些电池的能量将是锂离子电池的5到10倍，而锂离子电池是第一波电动汽车的主要动力来源。
“锂空气电池是我们未来的发展方向，”希勒布兰德说。“你无法预测未来，但就目前而言，我认为我们看到了终点，即……*理想*的电池。每个人都在寻找的电池。”
但是，随着工程师们越来越接近完善锂离子电池，锂空气电池还有很长的路要走，才能取代过去的电池。
一个好主意仍在路上
“镍氢电池就像一个成年人。锂离子电池像一个正在发育的青少年。而对于锂空气电池，我们还只是在看超声波，”希勒布兰德说。
有人说锂空气电池的能量只会是锂离子电池的三倍；其他人则预测会增加一百倍。无论估计如何，所有人都同意锂离子电池需要改进。
原因与“电池化学”有关，这是一个描述设备运行原理的术语。
电池有阳极和阴极，这两种材料会交换离子——在这种情况下是锂离子。当离子向一个方向移动时，电池会充电；当它们向另一个方向移动时，电池会释放电荷。
当然，阳极和阴极的不同材料会影响这种来回移动。例如，它们可以加速移动、移动更多数量的离子，或减少电池可以重复交换的次数——也就是说，缩短电池的寿命。
锂离子化学被认为是过去为电动汽车供电的努力的改进。之前的选择体积太大、重量太重，以至于几乎不经济。锂离子电池在更小的空间和重量中封装了更多的能量，主要汽车制造商将其用于最新的电动汽车和混合动力汽车系列，包括丰田的普锐斯、通用汽车的Volt和日产的Leaf。
不过，这种变化是有代价的。如今，锂离子电池已在笔记本电脑和手机中普及并商业化。但是，汽车所需的大型电池仍然是其最昂贵的组件，也是被认为对帮助数百万人上路最重要的组件。
在未来几年里，许多人预计这些成本会下降。即便如此，电池领域的许多人预见到，对于当今至关重要的锂离子电池，总有一天会面临淘汰。
一种可以挑战石油的电池
“假设我们想让世界上所有的汽车都电气化，”阿贡实验室能源存储主要倡议负责人、该实验室的主要电池化学家之一杰弗里·张伯伦说。 “锂离子电池能帮助我们达到目标的一部分。但实际上，它们的能量密度不够高，成本也不够低。”
他称锂空气电池为“梦想型电池”：他说，看看元素周期表，就重量而言，唯一比锂携带更多能量的元素是氢。如果模型正确，锂空气电池的能量将远远优于锂离子电池，接近电池所能达到的极限。它甚至可以与石油的能量密度相媲美——石油是地球上能量最丰富的物质之一。
这将彻底改变电动汽车的经济性。目前，汽车制造商面临“里程焦虑”：他们担心美国人会犹豫是否购买只能行驶几十英里的电动汽车。
张伯伦说，锂空气电池可以消除这种担忧。“你可以想象，充电后不是行驶40英里，而是行驶200或400英里，”他说。
锂空气电池的关键在于减轻重量。麻省理工学院化学副教授杨绍 horn 说，锂离子电池将锂与金属和氧气混合在一起，以保持其稳定性，并与锂离子进行乒乓球式运动。
用“呼吸”的电池代替重金属
相比之下，锂空气电池跳过了金属，只将锂附着在氧气上。在电池的另一侧，有一种多孔材料可以“呼吸”氧气，并可以进行乒乓球运动的另一侧。绍 horn 说，如果没有额外的金属，电池会轻得多，但不会影响保持能量的能力。
但在该技术商业化之前，研究人员必须通过一系列科学挑战。一种材料可能非常出色地将氧气“呼吸”到电池中，但如果它是铂金或黄金，则几乎没有商业潜力。阳极中的锂即使遇到少量水也会发生爆炸性反应，因此必须用稳定且廉价的物质进行保护。
阿贡实验室猜测，锂空气电池可能距离商业化还有10到20年的时间；麻省理工学院的绍 horn 表示，10年可能过于乐观。
部分原因是科学研究需要很长时间才能渗透到汽车展厅。通用汽车全球电池系统总监罗恩·杰米森解释了每个新的电池理念都必须经过一个并不迅速的审查过程。
他说，在任何特定时刻，通用汽车都知道大学、实验室和其他公司提出的 100 多个电池化学理念。
他说，通用汽车不会轻易驳回其中任何一项，但第一步是检查科学教科书：“这在物理上是否可行？它是否违反物理定律、热力学定律或任何其他定律？”
如果它通过了该测试，通用汽车就会像阿贡实验室和其他所有人一样：他们找到一个，然后对其进行测试。
一些研究人员将电池单元放入烤箱中一年，逐渐将温度提高到华氏 113 度，然后提高到华氏 131 度。其他人则将其浸入游泳池中。还有一些人使电池短路，看看它是否会爆炸。一位能源部的研究人员用射钉枪射击电池。
这些对于电动汽车来说不太可能发生，但电池开发商希望确保安全。他们说，仅仅一次引人注目的事故就可能给这项技术带来厄运。因此，杰米森说，通用汽车会对每项新的电池技术进行一年或更长时间的测试。
在美国的实验室里，美国可能处于领先地位
“理论上，如果它有可能发生，你至少必须评估并了解将会发生什么，”他说。
如果锂空气电池是未来的“灵丹妙药”，那么有许多“铅弹”准备好更快到来。通用汽车表示，它正在研究锂空气电池、下一代锂离子电池和其他化学物质。日产和丰田的代表没有特别提到锂空气电池，但他们表示，他们的先进电池实验室——与日本公司 NEC 和松下合作——正在研究各种化学物质。
白宫正试图推动这一进程，上周能源部拨款就表明了这一点。高级研究计划署-能源计划上周为汽车电池的突破性研究拨款 3400 万美元。其中两笔拨款用于锂空气电池提案，但其他想法各不相同，从镁离子到锌空气电池，再到斯坦福大学和本田的“全电子”电池。
如果他们和其他研究人员在该技术上取得进展，美国可能会准备好在全球取得领先地位。希勒布兰德在一封电子邮件中表示，锂空气电池还处于起步阶段，任何国家都尚未垄断这项技术，但“美国和日本都认识到了其潜力，而美国可能处于领先地位。”
在一次采访中，他说东京正在资助专注于锂空气电池和其他化学物质的实验室。他没有听说这项技术在中国或韩国发展：“不过，如果它没有发展，我会感到惊讶。”
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