由于有着比较高的理论比能量，锂空气电池被认为是很有希望的锂离子电池替代品。然而，迄今为止研究的锂空气电池主要用于纯氧环境（锂-氧电池），并且由于涉及阴极、阳极和电解质的副作用而使得循环寿命非常有限。而如果是在有氮气、二氧化碳和水蒸气存在的条件下，这些副反应会变得更加复杂。此外，由于需要储存氧气，锂-氧电池的体积能量密度在实际应用中可能太小了。
受保护阳极的表征
（来源：Nature）
来自美国芝加哥伊利诺伊州立大学的Amin Salehi-Khojin教授、阿贡国家实验室的Larry A. Curtiss教授领导的研究小组，发表了一篇关于新型锂空气电池的论文（DOI：10.1038/nature25984）。论文中报告一个新的电池系统，包括了一个含碳酸锂保护层的阳极、一个二硫化钼阴极以及二甲基亚砜和离子液体混合的电解液。它们在模拟空气环境中工作，循环寿命可长达700次。他们经过计算研究，深入了解该环境中系统的运行情况。这种在类空气环境中工作并拥有很长循环寿命的锂-空气电池是目前突破锂电池技术瓶颈的关键一步，可能由此获得比传统锂离子电池高得多的比能量密度。
在锂空气电池系统中的阴极性能
（来源：Nature）
在之前的研究之中，科学家们已经发明了一种新型锂电池，可以在纯氧中运行。因为其能量理论计算上会是普通锂离子电池的10倍左右而广受关注，并获得了成为下一代新型电池的入场资格证。由锂-氧电池供电的电动汽车将能够在单次充电后行进得更远，因为这种电池可以比相同重量的锂离子电池容纳更多能量。但是由于空气中的氮气、二氧化碳和水蒸气会与电池电极发生反应，形成沉积物，因而如果直接使用空气会导致载荷能力迅速降低。由于氧气是锂空气电池中电化学反应唯一所需的空气组分，因此研究人员使用纯氧气而非空气送入电池。虽然这消除了副反应，但是对于未来应用却并不实际，不仅增加纯氧储存的空间和重量，也使得安全隐患成为不可避免的严重问题。为了解决这个问题，Amin Salehi-Khojin团队设计了新的电极和电解液。研究人员将碳酸锂和碳沉积到锂芯片上，该涂层允许锂离子通过，同时防止二氧化碳、氧气、氮气和水在电极表面接触高活性的锂。他们使用二硫化钼纳米薄片制造阴极，以将阴极处副反应影响最小化。另外，研究人员还用溶有锂盐的二甲基亚砜/离子液体混合液作为电解质填充电池。
阴极的电子显微镜图
（来源：Nature）
Salehi-Khojin说：“这种设计的美妙之处在于，我们在使用空气的同时还能获得纯氧气氛的所有好处。”在没有保护层的情况下，电池会在模拟空气中进行11次充电循环后报废；而使用新设计保护层的电池系统，在模拟空气中可以运行700次充电循环。
通讯作者：
Amin Salehi-Khojin教授
论文链接：
https://www.nature.com/articles/nature25984
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