環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來源：Getty Images

撰文| Penn

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1945篇原創(chuàng)

在電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域快速發(fā)展的今天，動(dòng)力系統(tǒng)對電池的能量密度和安全性提出了前所未有的高要求。

當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池能量密度已接近理論極限，且安全性問題時(shí)有發(fā)生，開發(fā)下一代高性能電池成為全球科研界與產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。

在這一背景下，固態(tài)電池因其高能量密度和本征安全性被廣泛寄予厚望，成為了下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點(diǎn)。其中，鋰空氣電池被認(rèn)為具有大幅提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的潛力，其理論能量密度可達(dá)鋰離子電池的10倍以上。

在邁向下一代電池技術(shù)的重大飛躍中，2025年美國的研究人員創(chuàng)造了一種鋰空氣電池，其能量密度有朝一日可以與汽油相媲美，容量可達(dá)當(dāng)今鋰離子電池的四倍?？蒲腥藛T預(yù)計(jì)其能量密度可達(dá)每千克1200瓦時(shí)，是目前已知可充電電池技術(shù)中最具潛力的。

這項(xiàng)由伊利諾伊理工學(xué)院和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的尖端發(fā)展，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)四電子化學(xué)反應(yīng)——這是在室溫下運(yùn)行的鋰空氣電池從未實(shí)現(xiàn)過的壯舉。

這對于電池技術(shù)而言，意義重大，因?yàn)榇蠖鄶?shù)鋰電池只能利用單電子或雙電子反應(yīng)，限制了它們可以儲存的能量。

傳統(tǒng)上，鋰空氣電池會(huì)產(chǎn)生超氧化鋰（LiO?）或過氧化鋰（Li?O?），但這兩種物質(zhì)都會(huì)限制能量輸出。

然而，新的電池設(shè)計(jì)突破了這一限制，實(shí)現(xiàn)了氧化鋰（Li?O）的形成和分解——這種反應(yīng)途徑可以儲存更多的能量。

圖說：鋰空氣電池示意圖

來源：阿貢國家實(shí)驗(yàn)室

這款新的鋰空氣電池由鋰金屬陽極、空氣陰極和固體陶瓷聚合物電解質(zhì)（CPE）組成。在放電和充電過程中，鋰離子（Li+）從陽極流向陰極，然后再返回陽極。

這項(xiàng)技術(shù)突破的核心在于開發(fā)了一種嵌入富鋰納米顆粒的固態(tài)電解質(zhì)。這種復(fù)合電解質(zhì)采用陶瓷-聚環(huán)氧乙烷聚合物基體，取代了傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)中使用的易燃液態(tài)電解質(zhì)。

新的固態(tài)結(jié)構(gòu)不僅提高了安全性，消除了泄漏或燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，而且還穩(wěn)定了電池的電化學(xué)過程，這對于長期支持更高能量的反應(yīng)至關(guān)重要。

該化學(xué)反應(yīng)的核心是一種強(qiáng)效催化劑：磷化三鉬（Mo?P）。這種催化劑促進(jìn)了關(guān)鍵的四電子轉(zhuǎn)移，同時(shí)確保反應(yīng)在長期使用中保持穩(wěn)定。

研究人員表示，該電池在室溫下至少可以承受 1000 次充放電循環(huán)而不會(huì)出現(xiàn)明顯的性能衰減——這是實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的重要里程碑。

為了確認(rèn)所需的反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了，該團(tuán)隊(duì)利用美國能源部納米尺度材料中心的低溫透射電子顯微鏡進(jìn)行了研究。他們的分析證實(shí)了氧化鋰的可逆生成和分解，驗(yàn)證了四電子反應(yīng)的成功。

圖說：二維金屬 WSe? 的催化活性有限

來源：韓國科學(xué)技術(shù)研究院

在眾多新興電池方案中，鋰空氣電池被視為一種極具前景的解決方案，其能量密度有望提高十倍以上。然而，由于充放電過程中氧反應(yīng)所需的活性催化位點(diǎn)不足，導(dǎo)致反應(yīng)速率緩慢、壽命短，阻礙了鋰空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程。

為了解決這個(gè)問題，近期由韓國科學(xué)技術(shù)研究院和先進(jìn)工程研究院 (IAE) 的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于二維材料二硒化鎢 (WSe?) 的新型催化劑技術(shù)。該研究成果已發(fā)表在《材料科學(xué)與工程：R：報(bào)告》期刊上。

這項(xiàng)創(chuàng)新將材料通常不活躍的表面轉(zhuǎn)化為完全活躍的催化層，顯著提升了鋰空氣電池的性能和耐久性。這是通過將鉑原子引入二維納米材料（WSe?）的層狀結(jié)構(gòu)中，并在硒原子缺失的位置人為制造原子級空位而實(shí)現(xiàn)的。

這些空位可作為高效的反應(yīng)位點(diǎn)，強(qiáng)烈吸附并活化氧分子，顯著提高氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）的反應(yīng)速率。其技術(shù)意義尤為重大，因?yàn)樗诓唤档蛯?dǎo)電性的前提下，將整個(gè)基面轉(zhuǎn)化為活性位點(diǎn)，從而最大限度地發(fā)揮了二維材料的應(yīng)用價(jià)值。

圖說：M -Pt: WSe2的長期循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能

來源：材料科學(xué)與工程

采用該催化劑的鋰空氣電池即使在快速充放電條件下（1C倍率），也展現(xiàn)出超過550次循環(huán)的穩(wěn)定壽命。此外，在0.1C至3C的寬充放電倍率范圍內(nèi)，與現(xiàn)有的高成本商用催化劑（如Pt/C和氧化釕(RuO?)）相比，該催化劑表現(xiàn)出更優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。

這一結(jié)果表明，即使在高速充電條件下，這款鋰空氣電池也有可能成為性能衰減最小的下一代電池。這種方法不僅提高了效率，而且保持了導(dǎo)電性，使其在能源應(yīng)用領(lǐng)域具有很高的有效性。

這項(xiàng)研究成果利用整個(gè)材料作為催化活性位點(diǎn)，克服了二維材料的結(jié)構(gòu)限制。韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST) 的鄭素熙博士表示：“這項(xiàng)研究意義重大，因?yàn)樗岢隽艘环N原子級控制策略，利用了以前未開發(fā)的基面，同時(shí)保持了二維材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。”

除了鋰空氣電池之外，這項(xiàng)技術(shù)有望推動(dòng)電解水制氫和燃料電池等系統(tǒng)的改進(jìn)，在這些系統(tǒng)中，高性能催化劑至關(guān)重要。這項(xiàng)進(jìn)步也為降低成本、同時(shí)提升整體性能帶來了機(jī)遇。

研究團(tuán)隊(duì)表示，該成果提高了鋰空氣電池快速充放電性能的穩(wěn)定性，解決了鋰空氣電池面臨的主要挑戰(zhàn)。在國際合作的支持下，這項(xiàng)研究展現(xiàn)出強(qiáng)大的未來商業(yè)化潛力，并可能在推進(jìn)下一代儲能和高功率移動(dòng)解決方案方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考材料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/breakthrough-lithium-air-battery-catalyst-for-evs

[2]https://techxplore.com/news/2026-04-lithium-air-batteries-barriers-newly.html

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X2600015X?via%3Dihub

[4]https://interestingengineering.com/energy/solid-lithium-air-battery-breakthrough

[5]https://interestingengineering.com/energy/why-batteries-fail-particle-motion-new-study

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