随着科学技术的不断发展，我们日常生活中使用的许多设备都在变得更小、更高效、更便宜，可电池却是个例外。不仅如此，包括电动汽车和太阳能储蓄网在内的许多应用领域的发展都因电池技术的局限而受到限制。为了进一步提升现在广泛使用的锂电池的工作效能，研究人员提出了被称为“终极”电池的锂氧电池（lithium-oxygen battery）或锂空电池（lithium-air battery）的构想，希望能够利用金属锂与氧气的反应直接产生并储蓄电能，实现电池能源领域的新突破。但是，在过去的锂氧（空）电池研究中，研究人员遭遇了许多严峻的技术难题，一直未能顺利制造出理想的锂氧（空）电池样本。近日，英国剑桥大学（the University of Cambridge）传来喜报，研究人员通过引入创新材料，制造出一款锂氧（空）电池的实验室演示样本，拥有比以往的所有锂氧（空）电池实验成果更高的储电能力、能源效率和稳定性。
图片说明：新型锂氧（空）电池能使电动汽车拥有媲美化石燃料汽车的性能么？ 图片来源：earthtimes.org
通常，我们使用的手机、笔记本电脑中的锂离子电池以石墨为负极，由锂钴氧化物（lithium cobalt oxide）等金属氧化物构成正极，且包含由溶解在有机溶剂里的锂盐组成的电解质，依赖锂离子在电解质中的运动完成充、放电。虽然它们往往很轻，但功效会随着使用时间的增长而递减，而且它们的能力密度较小，需要时常充电。在过去十年中，研究人员已经制造出许多不同种类的锂电池，但他们认为拥有超高能力密度的锂氧（空）电池才是下一代能量储存设备的终极产品。
研究人员认为，由于氧气可以从空气中获取，而金属锂的质量又极轻，锂氧（空）电池能够以最小的体积储存最多的电能。据估计，这种新型电池的理论储电量可以达到普通锂离子电池的10倍，足以媲美汽油机，只需要现行电动汽车使用的锂离子电池五分之一的成本和重量就可以一次性（即中途不需要充电）供应一辆车至少行驶653公里。
在过去的实验中，锂氧（空）电池的正负极与电解质发生化学反应会产生过氧化锂（lithium peroxide，Li2O2，会附着在电池表面难以清除），影响电池性能的发挥，也会减少电池的使用寿命。而现在的新实验样本中，研究人员创新性地改变了电池正负极的材质，并使用了少量水和碘化锂（lithium iodide）的混合物作为电解质，电池的正负极与电解质发生化学反应会产生氢氧化锂（lithium hydroxide ，LiOH），而电解质中的碘化锂又能在供电过程中被氧化变成碘，去除氢氧化锂残留，从而保障了电池性能的发挥。此外，电池的负极被换成了由石墨烯（由一个厚度为1原子的碳原子片组成）制成的蓬松多孔的碳电极，增强了电池在一定充放电率下的储电能力。这些改变还使得新型锂氧（空）电池充、放电间的“隙缝电压（voltage gap）” 降低到0.2伏特，将电池的能量效率提高到了93%（锂氧/空电池的隙缝电压大约是0.5到1伏特）。经过实验测试，这种新型的锂氧（空）电池可以在超过2000次的充、放电循环后依然保持较好的性能。
图片说明：新型锂氧（空）电池的电解质（Electrolyte，图中黄色部分）由碘化锂（lithium iodide）和少量水组成。（上图）石墨烯电极（graphene electrode，图中灰黑色部分）上的氢氧化锂（lithium hydroxide ，LiOH）的放电过程；（下图）充电过程中，碘化物被氧化成碘（iodine），可以帮助去除氢氧化锂并重塑石墨烯电极。 图片来源：Tao Liu，Gabriella Bocchetti，Clare P. Grey
根据研究人员在Science杂志上发表的研究报告（2015年10月29日），这种电池最终用于实践领域还需要至少十年的时间。目前，这种电池只能在纯氧环境中工作，因为空气中的二氧化碳、氮气、水分等成分会损害电池的金属电极；另外，研究人员还需要寻找防止金属电极中细长的金属锂纤维过渡变细形成电极晶体堆积（dendrites）的方法，否则过量的电极晶体堆积会引起电池的短路或爆炸。
即便如此，这个模型的成功研发依然是高比能（单位重量或单位体积的能量）电池研究领域的重要突破，也为未来相关领域的研究打开了全新的视野，为锂氧（空）电池在实践领域的发展指明了道路。研究人员希望这项成果可以启示相关领域的研究人员通过改换材料的方式寻求锂氧（空）电池制造难题的解决之道。
事实上，来自世界各国的研究人员都在致力于推进锂氧（空）电池的研发制造，来自中国上海硅酸盐所的研究人员近日也在Journal of the American Chemical Society杂志上发表论文，展示利用几种高活性催化剂提高锂氧（空）电池的反应速率和延长电池的循环寿命的理论预测。 （科学之家，译审/编辑：ZH Cello）
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