一支來(lái)自美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（University of Illinois at Chicago, UIC）、阿貢國家實(shí)驗室（Argonne National Laboratory）和加州州立大學(xué)北嶺分校（California State University, Northridge）的聯(lián)合科研團隊在《自然》雜志上發(fā)表文章，成功制成了可以在類(lèi)似空氣的氣氛中循環(huán)超過(guò) 700 次的鋰空氣電池，打破了之前鋰空氣電池只能使用純氧、且循環(huán)壽命短的限制，讓人們看到了這種擁有極高理論能量密度的電池取代現有鋰離子，突破電動(dòng)汽車(chē)里程瓶頸的可能。
什么是鋰空氣電池？鋰空氣電池和鋰離子電池有什么區別？為什么鋰空氣電池的這個(gè)突破很重要？這首先要從鋰離子電池為什么能量密度不高講起。
鋰離子電池是目前為止*成功的充電電池。之所以叫做“鋰離子電池”，是因為在電池中，不論充電還是放電，都是鋰離子（Li+）在兩個(gè)電極之間來(lái)回穿梭，以形成電流。鋰離子到達電極時(shí)，需要在其表面“嵌入”，而離開(kāi)時(shí)則需要“脫嵌”。為了保證良好的“嵌入-脫嵌”反應，鋰離子電池的陽(yáng)極通常為石墨，而陰極通常為鋰的某種化合物。比如，在目前*為火爆的“三元鋰”電池的陰極中，除了鋰元素，還需要鎳、鈷、錳三種金屬元素，一起組成化合物鎳鈷錳酸鋰（LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2），而鎳、鈷、錳都要比鋰重得多。
因此，鋰離子電池中，雖然只需要 1 個(gè)相對原子質(zhì)量?jì)H為 7 的鋰離子（相對原子質(zhì)量為一個(gè)碳原子質(zhì)量的十二分之一）就可以攜帶 1 個(gè)單位的電荷，但其陰極卻需要還需要比鋰重得多的鎳、鈷、錳、鐵、磷、碳等原子構成化合物一起去“收納”這個(gè)鋰離子。導致為了這 1 個(gè)單位的正電荷，僅在陰極就要配備 1 個(gè)相對分子質(zhì)量可能接近 100 的“龐然大物”。再加上陽(yáng)極和其它材料與結構的重量，一塊鋰離子電池的能量密度一直做不上去。這也是為什么，一輛攜帶了半噸鋰離子電池的電動(dòng)汽車(chē)，續航里程卻遠遠小于僅僅加了幾十升汽油的普通汽車(chē)的原因。
在一個(gè)鋰離子電池中，為了穩定地“收納”攜帶電荷的鋰離子（圖中灰色圓球），需要大量其它的結構參與，比如鋰的化合物（藍色、紅色立體結構）和石墨（紅色層狀結構），這些元素的相對原子質(zhì)量均遠遠比鋰要大，導致鋰離子電池的能量密度總是有限。而在理想的鋰空氣電池中，這些元素就統統不需要了，只需要鋰金屬和空氣中的氧氣就可以了！
而鋰空氣電池就不同了。與鋰離子電池需要鋰的化合物和石墨做電極不同，鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質(zhì)（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。在*理想的情況下，電池放電時(shí)，由氧氣氧化鋰單質(zhì)生成過(guò)氧化鋰（Li2O2），在外電路中產(chǎn)生電流；充電時(shí)再由過(guò)氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過(guò)程無(wú)需其它質(zhì)量較大的元素參與，而陰極甚至可以直接使用重量和成本都可以忽略不計的空氣！
因此，鋰空氣電池可以實(shí)現比鋰離子電池高得多的能量密度。事實(shí)上，由于鋰是元素周期表中相對原子質(zhì)量*輕的金屬元素，而氧氣則來(lái)自空氣中，鋰空氣電池擁有著(zhù)電化學(xué)電池中*高的理論能量密度——換句話(huà)說(shuō)，單位質(zhì)量的鋰空氣電池可以?xún)Υ娌⑨尫诺哪芰?，要比所有其它電化學(xué)儲能介質(zhì)都要多。
非液態(tài)的鋰-空氣電池的理論能量密度可達 12kWh，是現有鋰離子電池的 5~10 倍，幾乎可以與汽油的約 13kWh相媲美。如果鋰空氣電池可以*終走向市場(chǎng)，電動(dòng)汽車(chē)也將擁有和汽油車(chē)同樣級別的續航里程，將會(huì )徹底打破由于鋰離子電池能量密度過(guò)低而導致的續航里程瓶頸，對于清潔能源未來(lái)的發(fā)展有著(zhù)重要的意義。然而，上面這些都是理論上的分析。想要實(shí)現這樣的理想情況，卻并不是一件容易的事情。
在此之前，號稱(chēng)可以以空氣為陰極的鋰空氣電池，卻都依賴(lài)于純氧環(huán)境。這是因為，除了氧氣，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣也都會(huì )參與反應，讓這個(gè)過(guò)程變得無(wú)比復雜。陽(yáng)極鋰的氧化，以及陰極鋰離子與空氣中的二氧化碳和水蒸氣的反應會(huì )生成不希望得到的副產(chǎn)物。
由于電極、電解質(zhì)上的其它化學(xué)反應，以及金屬鋰和氧氣的化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，鋰空氣電池的循環(huán)壽命也一直很短。此外，純氧環(huán)境要求鋰空氣在使用時(shí)必須配備儲氧裝置，比如一個(gè)巨大的氧氣鋼瓶，這讓鋰空氣電池的高能量密度直接被又大又重的氧氣儲罐攤平，而電池的容量還要依賴(lài)于氧氣瓶的容量。更何況，如果想要在電動(dòng)汽車(chē)上使用鋰空氣電池的話(huà)，氧氣瓶除了大幅增加重量，還會(huì )額外增加**隱患。
事實(shí)上，如果不是因為上述缺陷，鋰離子電池也不會(huì )舍近求遠地使用復雜的電極了。由于直接使用鋰金屬單質(zhì)作為電極的鋰空氣電池無(wú)法直接在空氣中獲取所需氧氣，有的科學(xué)家甚至干脆把鋰空氣電池叫成“鋰氧電池”。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這些問(wèn)題猶如烏云一般一直籠罩在鋰空氣電池的頭上，更不要說(shuō)走向市場(chǎng)和鋰離子電池競爭了。直到這次伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、阿貢國家實(shí)驗室和加州州立大學(xué)北嶺分校的突破，才為這種僅存在于理論上的優(yōu)良性能帶來(lái)了希望的光亮。