你有沒有這種經歷？想聯系一個人，可是發短信和微信都不回，結果過了好久對方告訴你手機剛剛沒電了...... 

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　　在電子產品已經滲入到人類生活的今天，耳邊能聽到最絕望的聲音就是“啊~怎么沒電了？”。盡管手機性能提升，功能富余，但作為隨身攜帶的手機，沒了電就等同于一塊磚頭。這樣看來，扼住智能手機發展咽喉的，終究是電池。可以說現代人生活的主要矛盾之一就是：人們對手機使用需求的日益增長和手機電量的飛速下降。 

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　　近些年，鋰離子電池技術雖然在不斷進步。但從某種層面講，與傳統負極材料的電池相比鋰離子電池雖然質量能量密度高，但也早已徘徊在舉步維艱的瓶頸階段。造成這一瓶頸的最根本原因，是所謂的“物理天花板”——鋰離子電池存在理論的儲能上限。 

　　  

鋰離子電池的組成 

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　　什么是鋰離子電池的儲能上限？ 

　　之所以有儲能上限的是因為：鋰離子電池是能夠實現化學能與電能相互轉換的裝置。對于任何一個化學反應體系反應前后的化學能變化情況，可通過該反應的Gibbs自由能進行描述：一個化學反應在標準狀態下所釋放或吸收的能量，是產物的吉布斯生成（）減去反應物的自由能（可以理解為一個熱力學過程能否自發進行的判據，即自由能小于0可以自發進行，自由能大于0無法自發進行，自由能等于0處于熱力學平衡狀態），即 。如果  為負值，且反應存在氧化還原（電子轉移），則該反應可以自發地發生電化學反應，可以作為電化學儲能系統考慮。 

采用鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負極的鋰離子電池的計算質量能量密度與體積能量密度。比較了采用2種不同負極與7種正極材料的鋰離子電池的質量能量密度與體積能量密度的估算值。  

圖片來源：From lithium-ion to sodium-ion battery 

　　在實際電池電芯中，存在多種非活性物質，如集流體、導電添加劑、黏接劑、隔膜、電解質溶液、引線、封裝材料等。在不計入引線、封裝材料的情況下，正負極活性物質的質量分數為61%。1990年到現在，電池實際能量密度的提高主要是提高了正負極活性物質在電池中的質量比例，降低非活性物質的質量比例。但是經過了20年的努力，通過技術的進步已經很難再提高正負極活性物質的質量比例。因此不更換電極的情況下也就很難突破理論儲能上限，實現質的飛躍。 

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　　20世紀70年代，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。隨著科學技術的發展，使鋰電池已經成為了主流。今天我們介紹另外一種鋰電池：鋰空氣電池。 

　　鋰空氣電池是什么？ 

　　鋰空氣電池的能量密度可以達到每千克12000瓦時，這一數值幾乎是鋰離子電池的10倍，甚至接近了汽油的能量水平（每千克13000瓦時）。“鋰空氣電池”這個概念，最早見于1970年代。它的核心原理，是讓鋰與空氣中的氧氣進行反應，將產生的能量直接轉為電能。 

鋰空氣電池工作原理示意圖 

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　　但自1970年以后，由于對復雜反應過程中的反應產物不可控性，以及必須用純氧和循環次數的限制，鋰空氣電池一直處于理論研發階段，并沒有走出實驗室。 甚至直到2016年這個領域中最杰出的學者，面對世人時，卻只能低聲地嘆息：“我們幾乎一無所知”（引自Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries. Nature Energy, 2016, 1, 16128. 原文譯文為：在基礎層面，我們對（鋰空氣）電池中的反應過程所知甚少） 

　　2018年，一支來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校（University of Illinois at Chicago， UIC）、阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和加州州立大學北嶺分校（California State University，Northridge）的聯合科研團隊在《自然》雜志上發表文章，成功制成了可以在類似空氣的氣氛中循環超過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的可能。 

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　　雖然這是一個可喜的消息，然而，目前技術還不夠成熟。因為無數問題仍然盤旋在鋰空氣電池領域。 

　　其中，最難過的坎——過氧化鋰和超氧化鋰（Li2O2和LiO2）的問題（一方面電化學過程中形成的中間體：超氧化物和過氧化鋰會從內部降解電池;另一方面超氧化物和過氧化物會在過程中會消耗有機電解質，極大限制了電池循環周期壽命。）仍然沒有被有效的解決。目前的改進，只是減緩了Li2O2這種強氧化劑腐蝕電極的速度，然而這個安全隱患，仍然蟄伏在鋰與空氣的反應之中。可以說我們都只是看到了曙光。 

　　  

　　參考文獻： 

　　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. 

Ta不回復你怎么辦？科學幫你解決

圖文簡介

摘要：在電子產品已經滲入到人類生活的今天，耳邊能聽到最絕望的聲音就是“啊~怎么沒電了？”。盡管手機性能提升，功能富余，但作為隨身攜帶的手機，沒了電就等同于一塊磚頭。這樣看來，扼住智能手機發展咽喉的，終究是電池。可以說現代人生活的主要矛盾之一就是：人們對手機使用需求的日益增長和手機電量的飛速下降。