固态电池新方向？锂空气电池有望实现10倍能量密度

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

来源：Getty Images

撰文| Penn

编辑 | 小澜

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在电动汽车、电动飞行器、人形机器人等前沿领域快速发展的今天，动力系统对电池的能量密度和安全性提出了前所未有的高要求。

当前商业化的锂离子电池能量密度已接近理论极限，且安全性问题时有发生，开发下一代高性能电池成为全球科研界与产业界的共同目标。

在这一背景下，固态电池因其高能量密度和本征安全性被广泛寄予厚望，成为了下一代电池技术竞争的关键制高点。其中，锂空气电池被认为具有大幅提升电动汽车续航里程的潜力，其理论能量密度可达锂离子电池的10倍以上。

在迈向下一代电池技术的重大飞跃中，2025年美国的研究人员创造了一种锂空气电池，其能量密度有朝一日可以与汽油相媲美，容量可达当今锂离子电池的四倍。科研人员预计其能量密度可达每千克1200瓦时，是目前已知可充电电池技术中最具潜力的。

这项由伊利诺伊理工学院和阿贡国家实验室的科学家领导的尖端发展，关键在于实现四电子化学反应——这是在室温下运行的锂空气电池从未实现过的壮举。

这对于电池技术而言，意义重大，因为大多数锂电池只能利用单电子或双电子反应，限制了它们可以储存的能量。

传统上，锂空气电池会产生超氧化锂（LiO₂）或过氧化锂（Li₂O₂），但这两种物质都会限制能量输出。

然而，新的电池设计突破了这一限制，实现了氧化锂（Li₂O）的形成和分解——这种反应途径可以储存更多的能量。

图说：锂空气电池示意图

来源：阿贡国家实验室

这款新的锂空气电池由锂金属阳极、空气阴极和固体陶瓷聚合物电解质（CPE）组成。在放电和充电过程中，锂离子（Li+）从阳极流向阴极，然后再返回阳极。

这项技术突破的核心在于开发了一种嵌入富锂纳米颗粒的固态电解质。这种复合电解质采用陶瓷-聚环氧乙烷聚合物基体，取代了传统电池设计中使用的易燃液态电解质。

新的固态结构不仅提高了安全性，消除了泄漏或燃烧的风险，而且还稳定了电池的电化学过程，这对于长期支持更高能量的反应至关重要。

该化学反应的核心是一种强效催化剂：磷化三钼（Mo₃P）。这种催化剂促进了关键的四电子转移，同时确保反应在长期使用中保持稳定。

研究人员表示，该电池在室温下至少可以承受 1000 次充放电循环而不会出现明显的性能衰减——这是实现实际应用的重要里程碑。

为了确认所需的反应确实发生了，该团队利用美国能源部纳米尺度材料中心的低温透射电子显微镜进行了研究。他们的分析证实了氧化锂的可逆生成和分解，验证了四电子反应的成功。

图说：二维金属 WSe₂ 的催化活性有限

来源：韩国科学技术研究院

在众多新兴电池方案中，锂空气电池被视为一种极具前景的解决方案，其能量密度有望提高十倍以上。然而，由于充放电过程中氧反应所需的活性催化位点不足，导致反应速率缓慢、寿命短，阻碍了锂空气电池的商业化进程。

为了解决这个问题，近期由韩国科学技术研究院和先进工程研究院 (IAE) 的研究人员领导的团队开发了一种基于二维材料二硒化钨 (WSe₂) 的新型催化剂技术。该研究成果已发表在《材料科学与工程：R：报告》期刊上。

这项创新将材料通常不活跃的表面转化为完全活跃的催化层，显著提升了锂空气电池的性能和耐久性。这是通过将铂原子引入二维纳米材料（WSe₂）的层状结构中，并在硒原子缺失的位置人为制造原子级空位而实现的。

这些空位可作为高效的反应位点，强烈吸附并活化氧分子，显著提高氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的反应速率。其技术意义尤为重大，因为它在不降低导电性的前提下，将整个基面转化为活性位点，从而最大限度地发挥了二维材料的应用价值。

图说：M -Pt: WSe2的长期循环稳定性和倍率性能

来源：材料科学与工程

采用该催化剂的锂空气电池即使在快速充放电条件下（1C倍率），也展现出超过550次循环的稳定寿命。此外，在0.1C至3C的宽充放电倍率范围内，与现有的高成本商用催化剂（如Pt/C和氧化钌(RuO₂)）相比，该催化剂表现出更优异的稳定性和耐久性。

这一结果表明，即使在高速充电条件下，这款锂空气电池也有可能成为性能衰减最小的下一代电池。这种方法不仅提高了效率，而且保持了导电性，使其在能源应用领域具有很高的有效性。

这项研究成果利用整个材料作为催化活性位点，克服了二维材料的结构限制。韩国科学技术研究院 (KIST) 的郑素熙博士表示：“这项研究意义重大，因为它提出了一种原子级控制策略，利用了以前未开发的基面，同时保持了二维材料的结构优势。”

除了锂空气电池之外，这项技术有望推动电解水制氢和燃料电池等系统的改进，在这些系统中，高性能催化剂至关重要。这项进步也为降低成本、同时提升整体性能带来了机遇。

研究团队表示，该成果提高了锂空气电池快速充放电性能的稳定性，解决了锂空气电池面临的主要挑战。在国际合作的支持下，这项研究展现出强大的未来商业化潜力，并可能在推进下一代储能和高功率移动解决方案方面发挥关键作用。

参考材料：

[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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