研究人員最近研發出一種鋰空氣電池，可能在能量密度上與汽油相媲美，並提供高達當前鋰離子電池四倍的容量。若能實現大規模生產，這項突破有望改變電動車和電網儲能等多個領域。
這項前沿技術由伊利諾伊理工學院和阿貢國家實驗室的科學家主導，成功實現了一種四電子化學反應，這在室溫下的鋰空氣電池中是前所未有的。
大幅突破電子限制
大多數鋰基電池只能利用一或兩個電子反應，限制了它們的能量儲存能力。傳統的鋰空氣電池通常生成鋰超氧化物（LiO₂）或鋰過氧化物（Li₂O₂），這些都限制了能量輸出。然而，新的電池設計打破了這一限制，使鋰氧化物（Li₂O）的形成和分解成為可能，這一反應路徑能儲存更多能量。
新型鋰空氣電池的結構包括鋰金屬陽極、基於空氣的陰極和固態陶瓷聚合物電解質（CPE）。在放電和充電過程中，鋰離子（Li+）在陽極和陰極之間移動。
安全且穩定
這一突破的核心在於開發了一種嵌入鋰豐富納米顆粒的固態電解質。這種複合電解質使用陶瓷-聚乙烯氧化物聚合物矩陣製成，取代了傳統電池設計中的易燃液體電解質。新型固態配置消除了泄漏或燃燒的風險，不僅提高了安全性，還穩定了電池的電化學過程，這對於支持更高能量反應至關重要。
在這一化學反應中，三鉬磷化物（Mo₃P）作為強效催化劑，促進了關鍵的四電子轉移，同時確保反應在長期使用中保持穩定。根據研究人員的說法，該電池在室溫下能夠承受至少 1,000 次充放電循環而不會顯著退化，這是其實際應用的必要里程碑。
為了確認所需反應的確實發生，研究團隊在美國能源部的納米材料中心使用了低溫透射電子顯微鏡技術。他們的分析確認了鋰氧化物的可逆形成和分解，驗證了四電子反應的成功。
這款室溫鋰空氣電池不僅標誌著科學上的里程碑，還重新定義了電池技術的潛力。根據預測，其能量密度達到每公斤 1,200 瓦時，這使其成為目前已知的可充電電池技術中潛力最大的。
如果商業化，這一設計將大幅延長電動車的行駛範圍，並顯著減少電池的重量和體積。同時，它還能更高效且安全地儲存間歇性的可再生能源，如太陽能和風能，這對於可持續能源網絡至關重要。
這項工作得到美國能源部、國家科學基金會、凱克基金會及多個研究機構的強大資金支持，為新一代安全、高密度、室溫電池的發展奠定了基礎，這些電池有望為更清潔的電氣化世界提供動力。
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