瓶颈突破：缩小锂空气电池与燃油的能量差距正在缩小！

随着电动汽车逐渐进入大众视野，人们越来越关心电池的续航能力，当续航里程能力可以超过燃油车的时候，电动汽车的普及将很快到来。

毫无疑问，电动汽车的续航里程由电池的容量来决定。如何提高电池容量成为了科学家们努力解决的关键问题。

目前主流市场上用于电动汽车的电池主要是锂离子电池，根据文献报道，锂离子电池的能量密度一般比较低，如我们比较熟悉的磷酸铁锂的能量密度为90-125Wh/kg（因制造商不同而不同），而汽油的能量密度要比锂离子电池的高100倍，根据《物理学概况》这本书的介绍，汽油的能量密度约为 45 MJ / kg（相当于12500Wh /kg），虽然理论值高了很多，但是按实际使用情况来作比较的话，差距会小一点，本文不作讨论。

传统的锂离子电池的能量密度并不能满足下一代车辆和飞行物体等先进储能设备的要求，加上锂离子电池的能量密度研发已经进入了一个瓶颈。

因此，科学家在试图开发别的具有更高能量密度的锂电池种类，理论上可实现大容量的“锂空气电池”备受瞩目，因为根据BD百科介绍，锂空气电池的理论能量密度可以高达11140 Wh /kg（不含氧气），由此可见，最有可能取代汽油成为下一代交通工具的动力系统是锂空气电池。

锂空气电池理论能量密度虽然高，然而报道的锂空气电池的实际能量密度值远低于锂离子电池的值，这主要是由于电池中存在过量的电解质。

典型的锂空气电池由锂金属箔、隔膜、锂离子传导非水电解质、多孔碳电极和气体扩散层组成。在放电过程中，锂金属的溶解在负极进行，产生的电子通过外电路传递到正极，用于还原大气中的氧，形成不溶性过氧化锂作为放电产物。

基于实用高能量密度实验的设计原理，为了获得高能量密度的锂空气电池，日本一个科研团队将电池作了一些关键改良。

首先，他们通过用薄的 PO 基隔膜代替厚玻璃纤维基隔膜并将多孔碳电极中的电解质注入率从100% 降低到 60% 来减少电解质的量。结果，电解质的重量百分比下降到57%，能量密度达到240 Wh/kg，但是这还远远不够，他们接着通过更换 8000 mAh/g 的碳电极，存储在电极中的电解质量可以进一步减少。结果，电解质的重量百分比降低到31%，达到了与商业化锂离子电池中电解质的相同重量百分比（30-40%），此时，锂空气电池的能量密度达到了466 Wh/kg！能量密度比锂离子电池高了约4倍。

这个研究揭示了一个可以提高锂空气电池高能量密度的关键因素，就是尽量控制电解质的量与面积容量的比值（E/C，g/Ah），当这个比值小于5g/Ah时，电池的能量密度就会高于300 Wh/kg。

基于这个理念，科学家提出几个设计高能量密度锂空气电池的关键技术：多孔碳基正极质量负载应高于1 mg/cm2，在这种情况下，面积容量可以实现高于4 mAh/cm2；应采用合适的电解液注入技术；尽量减少正负极的副反应，尤其是抑制电解质的分解；考虑特定于有限电解质条件的问题，即所谓的“贫电解质”；采用多层电池，密集堆叠的模式，同时也要确保氧气可以有效地穿过整个正极。

这个结果近期发表在了《Materials Horizons》上。

目前，锂空气电池仍在开发中，因为还有一些缺陷没有被克服，如循环寿命比较短，目前也有研究报道了循环数超过1000次，感兴趣的可以阅读小编之前写的一篇文章《中国科学家研究获重大突破：电动汽车电池续航里程可匹敌燃油汽车》。

要实现电动汽车的普及，电池的能量密度至少需达到目前的10倍，而锂空气电池的理论性能可以匹敌汽油，因此它是最有希望代替燃油成为电动汽车或航空业新一代的动力来源。