鋰-空氣電池的時代會到來嗎?

但是，隨著全球電動汽車市場需求的日益增長，鋰離子電池的發展受到了嚴重的阻礙，其發展瓶頸主要在於如何提升正極材料的充放電比容量，以滿足高比能量、高充放電功率的要求。與現今商用的碳負極材料（實際比容量為330-360 mAh/g）相比，已投入使用的正極材料的實際比容量值僅為120至250 mAh/g之間，該數值依舊遠遠低於負極材料的容量；其相對較低的比容量/能量密度是目前正極材料的研究現狀，正是制約著鋰離子電池向前發展的首要因素。其次，正極材料的成本也是影響高容量鋰離子電池開發的重要因素之一。一般地，製備正極材料需要大批量地使用稀有過渡金屬元素（如鈷、鎳等）。一方面，鈷、鎳等金屬資源在地球上的儲量有限，不適合大規模地開採以及過度消費利用（與國家可持續發展戰略背道而馳）；另一方面，使用稀有金屬元素會抬升電池的製造成本，不利於未來高性能鋰離子電池大規模普及化使用（例如，在儲能電站等領域的實際應用）。此外，大量使用鈷、鎳、錳等重金屬會對土壤、水源等環境產生較大的危害，並對人類及動植物的生命構成了嚴重威脅。

解決方案

然而方法總比問題多，為了進一步提高可充電池的能量密度，減輕電池重量就成了一個突破口。雖然暫時無法找到比金屬鋰具有更高能量質量比的材料，但我們可以給電池整體來一個減重瘦身，進而提高電池整體的能量密度。其中最具代表性的就是鋰-空氣電池了。鋰-空氣電池的理論計算能量密度可以達到12000Wh/Kg，這足以媲美汽油的超高能量密度，使其有望完全替代汽油，真正實現超長旅程的純電動汽車（圖3）。

圖3：各類電池之間的對比。

什麼是鋰-空氣電池？

簡單點說，與傳統鋰離子電池以過渡金屬氧化物作為正極材料不同，鋰-空氣電池是一種用金屬鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。金屬鋰代替石墨作為負極的一個優點是金屬鋰（3860 mAh·g-1）有著將近10倍於石墨（372 mAh·g-1）的比容（Specific Capacity）。與所有的電池一樣，鋰-空氣電池也是由基本的三部分組成：正極、負極、電解質，外電路由導線連接傳導電子，內電路由電解質連通傳遞離子。其工作原理如圖4所示：

圖4：鋰-空氣電池工作原理示意圖。

鋰-空氣電池以金屬鋰為負極，由碳基材料組成的多孔電極為正極。放電過程中，金屬鋰在負極失去電子成為鋰離子，電子通過外電路到達多孔正極，將空氣中的氧氣還原，而鋰離子穿過電解質到達多孔正極，與氧氣和電子形成過氧化鋰(Li₂O₂)（主要產物）。這一反應持續進行，電池便可以向負載提供能量。充電過程正好相反，在充電電壓的作用下，放電過程中產生的放電產物首先在多孔正極被氧化，重新放出氧氣，鋰離子則在負極被還原成金屬鋰。

由於負極材料是很輕的多孔碳材料，而氧氣則從環境中取得，因此鋰-空氣電池的重量主要取決於正極材料和電解液了。減輕了附中的鋰-空氣電池因此相較於鋰離子電池有了更高的能量密度。