呼吸电池登《Science》封面，将引爆技术革命

如果我们真的打算让电动车拥有和汽油车同样的行驶里程，那么这些电动车的电池就需要存储比现在多得多的能量。其实科学家们早就已经从理论上找到了更好的候选电池——锂-空气（或锂-氧气）电池，但其研发进展一直面临难以逾越的障碍。不过，最近英国剑桥大学的化学家Clare Grey及其研究团队，在这一方向上取得了喜人的突破，让人们看到了让锂-空气电池实际用于人们的生活的希望。她们的论文作为封面文章刚刚发表在《Science》上。

Prof. Clare Grey。图片来源：ch.cam.ac.uk

虽然Clare Grey和她的同事设计的电池还只是小型实验室原型，这意味着要发展到汽车用电池组还有很长的路要走，但她们具有创新性的材料组合“解决了与锂氧技术有关的几个重大问题”，美国宾夕法尼亚州费城德雷克塞尔（Drexel）大学的材料化学家Yury Gogotsi说。

锂-空气电池，也被称为呼吸电池（Breathing Battery），利用锂金属与空气中的氧反应产生的能量来转化为电能。因为这些电池无需携带其主要成分——氧气，而且锂金属具有较低的密度，所以其在理论上每千克材料存储的能量与汽油发动机相当。这意味着，这种电池可能会比当前电动车里最好的电池组的能量密度还要高10倍。研究人员希望这样可以让车辆一次充电后能连续行驶800公里。

尽管这个前景看起来很诱人，但是一些化学家已经放弃了继续研发呼吸电池的工作。“虽然锂-空气电池具有高的理论能量（存储容量），但在实践中是很难实现的，”Grey说。其主要问题是电池的化学反应会产生有害的副产物，它们会堵塞电极，破坏电池材料或使装置短路。其结果是，电池通常经过几十次充放电后就会失去功能。

但是，Grey和她的团队已经研发出的一系列创新手段，使她们设计的锂-空气电池更加耐用。

图片来源：nature.com

在这种电池中，锂离子从锂金属的负极释放，通过电解质流到碳的正极，这个过程会产生电流，因为在同一时间，电子通过一个闭合电路从负极流到正极。在这个电池原型中，电解质是一种叫二甲氧基乙烷的有机溶剂与碘化锂盐的混合物。由于有这些电解质成分，当锂离子与氧气在阴极发生反应后，会产生氢氧化锂晶体。这是解决问题的关键之一，因为许多早期的电池这一过程产生的是过氧化锂，这种白色固体会堆积在电极上并且难以在充电地时候除去。氢氧化锂则相反，在充电时很容易分解。

早期锂-空气电池设计的另一个问题是反应性高的锂金属阳极会与电解液反应并遭到破坏，而且反应产物会覆盖锂阳极并使其失活。不过，这个问题似乎并没有在Grey的电池中发生。Grey说，她们的电池在充放电数百次后，其性能仅略有下降。她估计，她的团队设计的电池的单位质量存储能量密度比当今一些电动汽车（比如特斯拉汽车）用的锂离子电池至少高5倍。

还原态石墨烯氧化物电极（黑色、中心）与氢氧化锂粒子（粉红色）

图片来源：Valerie Altounian/Science

这种电池的另一个创新之处是用于正极的材料。许多以前的锂-空气电池使用了各种形式的多孔碳，但Grey和她的同事的电池含有一种较新的材料，称为还原态石墨烯氧化物——一种单原子厚度的纯碳薄层，从石墨上揭下，通过氧化再还原获得高度多孔的结构。

“还原态石墨烯氧化物电极是有韧性的，”Gogotsi说，这可能有助于解释这种电池的多次充放电循环的良好表现。

“据我所知，这是第一次进行对于这种特殊的材料组合的研究，”加州帕洛阿尔托的博世研究与技术中心的锂-空气电池专家Jake Christensen说。但他指出了几个将此技术商业化过程中的问题。他特别提到，这种电池可以提供的电流密度比汽车需要的要低大约20到50倍。“这种电池最好的表现，都是在非常低的电流密度下获得，”Grey坦言，“所以我们距离所需的汽车电池电流密度数值还非常遥远。”如果这种电池最终获得成功，该技术的首次应用将很有可能不在电动汽车上，她补充道。但她也说，“尽管还有很多基础性的研究要进行，但现在我们的结果依然让人十分兴奋……针对阻碍这一技术发展的几个难题，我们找到了解决方案。”

“还有很多工作要做，”该文第一作者Tao Liu博士说，“但是我们已经找到了一些解决问题的方法，或许，我们只需要从不同的角度来思考。”

1. http://www.sciencemag.org/content/350/6260/530.abstract

2. http://www.nature.com/news/breathing-battery-advance-holds-promise-for-long-range-electric-cars-1.18683