[科普中国]-Ta不回复你怎么办？科学帮你解决

你有没有这种经历？想联系一个人，可是发短信和微信都不回，结果过了好久对方告诉你手机刚刚没电了......

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在电子产品已经渗入到人类生活的今天，耳边能听到最绝望的声音就是“啊~怎么没电了？”。尽管手机性能提升，功能富余，但作为随身携带的手机，没了电就等同于一块砖头。这样看来，扼住智能手机发展咽喉的，终究是电池。可以说现代人生活的主要矛盾之一就是：人们对手机使用需求的日益增长和手机电量的飞速下降。

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近些年，锂离子电池技术虽然在不断进步。但从某种层面讲，与传统负极材料的电池相比锂离子电池虽然质量能量密度高，但也早已徘徊在举步维艰的瓶颈阶段。造成这一瓶颈的最根本原因，是所谓的“物理天花板”——锂离子电池存在理论的储能上限。

锂离子电池的组成

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什么是锂离子电池的储能上限？

之所以有储能上限的是因为：锂离子**电池是能够实现化学能与电能相互转换的装置。**对于任何一个化学反应体系反应前后的化学能变化情况，可通过该反应的Gibbs自由能进行描述：一个化学反应在标准状态下所释放或吸收的能量，是产物的吉布斯生成（）减去反应物的自由能（可以理解为一个热力学过程能否自发进行的判据，即自由能小于0可以自发进行，自由能大于0无法自发进行，自由能等于0处于热力学平衡状态），**即 ****。**如果 为负值，且反应存在氧化还原（电子转移），则该反应可以自发地发生电化学反应，可以作为电化学储能系统考虑。

采用钛酸锂（Li4Ti5O12）负极的锂离子电池的计算质量能量密度与体积能量密度。比较了采用2种不同负极与7种正极材料的锂离子电池的质量能量密度与体积能量密度的估算值。

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在实际电池电芯中，存在多种非活性物质，如集流体、导电添加剂、黏接剂、隔膜、电解质溶液、引线、封装材料等。在不计入引线、封装材料的情况下，正负极活性物质的质量分数为61%。1990年到现在，电池实际能量密度的提高主要是提高了正负极活性物质在电池中的质量比例，降低非活性物质的质量比例。但是经过了20年的努力，通过技术的进步已经很难再提高正负极活性物质的质量比例。因此不更换电极的情况下也就很难突破理论储能上限，实现质的飞跃。

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20世纪70年代，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。随着科学技术的发展，使锂电池已经成为了主流。今天我们介绍另外一种锂电池：锂空气电池。

锂空气电池****是什么？

锂空气电池的能量密度可以达到每千克12000瓦时，这一数值几乎是锂离子电池的10倍，甚至接近了汽油的能量水平（每千克13000瓦时）。“锂空气电池”这个概念，最早见于1970年代。它的核心原理，是让锂与空气中的氧气进行反应，将产生的能量直接转为电能。

锂空气电池工作原理示意图

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但自1970年以后，由于对复杂反应过程中的反应产物不可控性，以及必须用纯氧和循环次数的限制，锂空气电池一直处于理论研发阶段，并没有走出实验室。 甚至直到2016年这个领域中最杰出的学者，面对世人时，却只能低声地叹息：“我们几乎一无所知”（引自Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries. Nature Energy, 2016, 1, 16128. 原文译文为：在基础层面，我们对（锂空气）电池中的反应过程所知甚少）

2018年，一支来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago， UIC）、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和加州州立大学北岭分校（California State University，Northridge）的联合科研团队在《自然》杂志上发表文章，成功制成了可以在类似空气的气氛中循环超过700次的锂空气电池，打破了之前锂空气电池只能使用纯氧、且循环寿命短的限制，让人们看到了这种拥有极高理论能量密度的电池取代现有锂离子的可能。

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虽然这是一个可喜的消息，然而，目前技术还不够成熟。因为无数问题仍然盘旋在锂空气电池领域。

其中，最难过的坎——过氧化锂和超氧化锂（Li2O2和LiO2）的问题（一方面电化学过程中形成的中间体：超氧化物和过氧化锂会从内部降解电池;另一方面超氧化物和过氧化物会在过程中会消耗有机电解质，极大限制了电池循环周期寿命。）仍然没有被有效的解决。目前的改进，只是减缓了Li2O2这种强氧化剂腐蚀电极的速度，然而这个安全隐患，仍然蛰伏在锂与空气的反应之中。可以说我们都只是看到了曙光。

参考文献：

A lithium–oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere. Nature, 2018, 7697, 502.

A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide. Science 2018, 361, 777.

Hot lithium-oxygen batteries charge ahead. Science, 2018, 361, 758.