1.鋰離子電池瓶頸到來

近些年，關于鋰離子電池的“打破”接連不斷。“容量翻倍”“續航耐久”“快速布滿”等關鍵詞，不斷撩撥大眾的神經。

但隨之而來的理性分析，又使這些浮華的修飾盎然失容。人們繽紛訴苦媒體標題誤人，并沒有真實處理現在的現狀與困難。

當然，鋰離子電池技術在不斷行進。但從某種層面講，鋰離子電池早已徜徉在步履維艱的瓶頸階段。

構成這一瓶頸的最底子原因，是所謂的“物理天花板”——鋰離子電池存在理論的儲能上限。

而且，很不幸，我們快要接近這個上限了。

依據技術翻開的“S型曲線”理論，一項技術大體是從出世、翻開到瓶頸，直到被另一項技術所替代。鋰離子電池也逃不出這樣的宿命循環。

當舊實力增加乏力的時候，新的實力總能異軍突起，支撐起新的翻開。

在替代鋰離子電池的許多技術中，鋰空氣電池，可能是個答案。

若要談及未來，我們也不敢放下百分之百的定論，只是供給一種替代“鋰離子電池”的技術備選。

電池技術翻開的S型曲線

2.初顯鋒芒，鋰空氣電池步履蹣跚

盡管稱謂近似，但“鋰離子電池”和“鋰空氣電池”是全然不同的兩個系統，所觸及的原理也大相徑庭。

“鋰空氣電池”這個概念，最早見于1970年代。它的中心原理，是讓鋰與空氣中的氧氣進行反應，將發生的能量直接轉為電能。

這就好像燒木頭或燒煤炭，作為人類獲取動力最普遍的辦法，讓資料與氧氣直接反應，所帶來的是極高的能量開釋。據核算，鋰空氣電池的能量密度能夠達到每千克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）[1]。

鋰與空氣的這看似簡略組合，將電池技術的物理天花板，提升了整整一個數量級！

而且，它運用的氧氣來自于空氣，這部分資料近乎無限。

可是，工作注定不會如此簡略。在這方興未已的不和，潛藏著的，仍然是一篇混沌：鋰空氣電池中發生的反應過火雜亂，還伴跟著許多的副產品生成。甚至許多科學家們會感覺自己的研討其實是“形而上學”。

2016年，來自美國和歐洲的幾位鋰空氣的專家湊在一起，為《天然·動力》寫了一篇介紹鋰空氣電池翻開現狀的文章[1]，里面開篇便是一句：

“在基礎層面，我們對（鋰空氣）電池中的反應進程所知甚少。”

隨后，又說：

“沒人知道鋰空氣電池是否會成為一項技術，可是為了社會翻開和人類未來，我們應該盡力而為去根究（鋰空氣電池的）可能性”

也便是說，經歷了近50年的翻開，這個領域中最出色的學者，面臨世人時，卻只能低聲地嘆息：“我們幾乎一無所知”。

比起那些“充電10分鐘，續航1000里”的報導，這肯定是一篇“謙虛”的論文。由于學者們都心里有數，人類在鋰空氣的研討中現已栽了太多跟頭。

有個業界的八卦，說是一位很有聲望的科學家發了一篇鋰空氣電池的文章，達到了一個很棒的功用，可他人怎樣也重復不出來。后來發現，他所做的鋰空氣電池中，發生反應的其實是集流體和電池殼，而不是預料的金屬鋰。究竟鬧得為難收場。

甚至有些科研巨擘也難逃鋰空氣的咒罵。

從最早的移動原子到后來的量子核算，美國IBM公司在微觀科學領域，能夠說是執牛耳者。他們就曾想攻下鋰空氣電池這個山頭。

IBM在2009年推出一項名為“Battery500”的方案，期望能開宣告一套讓電動車行進500公里的鋰空氣電池。項目伊始，他們設想在2013年造出原型機，2020年完結商業化出產。

可是，2012年之后，“Battery500”就戛可是止了，很難在網上搜到其只言片語。假設不是IBM有意雪藏，那就只能闡明，這個方案已然阻滯。

也有傳言說IBM并沒拋棄，而是轉向了其他方案。但這些江湖風聞，我們也只能姑且聽之，真假難辨。

IBM官網關于"Battery500"項目的介紹，究竟一項研討效果發表于2011年。圖片來歷：IBM.com

3.不斷根究，迷霧中曙光初現

盡管前路漫漫，但鋰空氣電池卻也在悄然生長，慢慢翻開。

讓我們從IBM“失利”之后開始敘說，看看在藍色偉人倒下后，又發生了什么。

首要，需求回想一下鋰空氣電池的底子關鍵。一塊鋰空氣電池，由負極（金屬鋰）、正極（空氣中的氧氣）和電解液組成。盡管只需簡略的三個部分，但每一部分的研討都面臨著巨大的應戰。

以電解液為例。此前，常用于電池中的電解液是聚碳酸酯，它們不只易燃易爆，而且在充放電時會不斷腐蝕電極，底子上幾次充放電后，一塊鋰空氣電池就算報廢了。

2012年，來自牛津大學的化學家彼得·布魯斯提出把聚碳酸酯換成一種名叫二甲基亞砜（DMSO）基電解液。這種新式電解液就不那么容易與電極發生反應。所以，他們成功地讓鋰空氣電池安穩循環了100次[2]。

可是，跟著研討深化，許多人開始對這個電解液發生質疑。原因倒不是出自二甲基亞砜本身，而是源自一種鋰空氣反應進程的中心產品——過氧化鋰（Li2O2）。過氧化鋰是一種強氧化劑，會把二甲基亞砜氧化二甲基砜，然后構成電池功用的極大衰減。

有的研討組發現，由于這個氧化現象太嚴峻，他們的電池循環了幾十次后，整個電解液都變了色彩。人們甚至估測，布魯斯的團隊開始之所以循環100次，正由于這是二甲基亞砜保質的上限。

隨后的展開來自于美國阿貢試驗室。這家老牌研討所誕生于二戰時期，曾制造出人類歷史上第一個可控核反應堆。冷戰之后，阿貢試驗室的研討轉向于動力方向，成為電池領域最受敬重的組織之一。

一個來自阿貢試驗室的團隊，通過將一種名為離子液體的資料與二甲基亞砜混合，成功地增強了電解液的安穩性。此外，他們還運用納米技術，在原有電極的外表增加了一層保護膜。這兩方面的規劃，極大的降低了副反應的發生，這個團隊成功地將鋰空氣電池的循環記載提高到了750次[3]。

這個重要的行進激發了媒體與大眾的喜愛，一時間宣傳案牘雨后春筍，甚至有人開始聲稱“鋰空氣電池的年代現已到來”。

可是，研討電池的業界人士卻挑選沉默幽靜幽靜。由于他們知道，許多問題仍然回旋扭轉在鋰空氣電池領域。其間，最哀痛的坎，便是Li2O2的問題仍然存在。阿貢試驗室的改進，只是減緩了這種強氧化劑腐蝕電極的速度，可是這個安全風險，仍然蟄伏在鋰與空氣的反應之中。

針對這一問題，人們要返璞歸真到熱力學的實質中去尋找答案。

我們都知道，溫度會對一個化學反應的進行發生巨大影響。假設將環境溫度提高到150℃以上，那么，鋰和氧氣的反應就會優先生成氧化鋰（Li2O）。Li2O的氧化性就相對溫文，對電極的腐蝕作用也要緩慢許多。

不同溫度中，鋰與氧氣反應的自由能。[4]

可是，150℃啊！在這個溫度下，作為有機物的二甲基亞砜，具有極大的爆破風險。

既然如此，我們就再換一種電解液吧。在近期的《科學》雜志上，來自加拿大的科學家們，運用熔鹽作為電解液處理了這個問題，

他們將兩種硝酸鹽（LiNO3和KNO3）混合，并加熱到150℃。此刻，這種混合物會融化成液態。運用這個液態的熔鹽，再配合上新規劃的電極資料，居然成功躲避掉了浮躁的Li2O2。在他們的試驗臺上，整個鋰空氣電池平穩運行了起來，而且中心產品全部是溫文的Li2O。更令人歡欣的是，研討者發現這種全新的鋰空氣電池，表現出了更強的儲能才調！

不同中心產品對鋰空氣電池的影響示意圖。[5]

盡管儲能才調變得更健壯，但不管怎樣看，150℃都不是一個友善的溫度。很難夢想，怎樣將一個堪比鐵板燒的電池放進手機后蓋，或許坐在熱騰騰的電爐子上開車通勤。關于這一問題，作者也暫時沒有適宜的應對辦法，這無疑給鋰空氣電池的實踐運用帶來了妨礙。

4.結語

舊技術，老到與式微；新技術，誕生與曲折。電池的翻開，無可逃過伴跟著這些起伏與蒼茫。一個問題的處理，又帶出了另一個，甚至另幾個新問題。

在看不到止境的往復中，鋰空氣電池，是否還能給人類一個儲能的答案？

拭目以待。