本文來自微信公眾號(hào)：環(huán)球零碳，編輯：小瀾，作者：環(huán)球零碳研究中心

隨著電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域的快速發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)對電池的能量密度與安全性提出了更高要求。

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與產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。

在此背景下，固態(tài)電池因高能量密度和本征安全性被寄予厚望，成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵。其中，鋰空氣電池被認(rèn)為能大幅提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航，理論能量密度可達(dá)鋰離子電池的10倍以上。

2025年，美國研究人員研發(fā)的鋰空氣電池展現(xiàn)出巨大潛力，其能量密度未來或可與汽油媲美，容量達(dá)當(dāng)前鋰離子電池的四倍，預(yù)計(jì)能量密度為每千克1200瓦時(shí)，是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)室科學(xué)家主導(dǎo)的研究，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)了室溫下鋰空氣電池從未達(dá)成的四電子化學(xué)反應(yīng)。

這對電池技術(shù)意義重大，因?yàn)槎鄶?shù)鋰電池僅能利用單電子或雙電子反應(yīng)，限制了儲(chǔ)能能力。

傳統(tǒng)鋰空氣電池會(huì)產(chǎn)生超氧化鋰（LiO?）或過氧化鋰（Li?O?），二者均限制能量輸出。

而新電池設(shè)計(jì)突破了這一限制，實(shí)現(xiàn)了氧化鋰（Li?O）的形成與分解，該反應(yīng)途徑能儲(chǔ)存更多能量。

圖說：鋰空氣電池示意圖

這款新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）構(gòu)成。放電與充電時(shí)，鋰離子（Li+）從陽極流向陰極，再返回陽極。

技術(shù)突破的核心是開發(fā)了嵌入富鋰納米顆粒的固態(tài)電解質(zhì)。該復(fù)合電解質(zhì)采用陶瓷-聚環(huán)氧乙烷聚合物基體，替代了傳統(tǒng)電池中易燃的液態(tài)電解質(zhì)。

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

化學(xué)反應(yīng)的核心是強(qiáng)效催化劑磷化三鉬（Mo?P），它促進(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能承受1000次充放電循環(huán)而無明顯性能衰減，這是實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的重要里程碑。

為確認(rèn)反應(yīng)發(fā)生，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)行研究，分析證實(shí)了氧化鋰的可逆生成與分解，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

在眾多新興電池方案中，鋰空氣電池前景廣闊，能量密度有望提升十倍以上。但充放電過程中氧反應(yīng)所需活性催化位點(diǎn)不足，導(dǎo)致反應(yīng)速率慢、壽命短，阻礙了其商業(yè)化。

為解決這一問題，韓國科學(xué)技術(shù)研究院和先進(jìn)工程研究院(IAE)的研究團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)了基于二維材料二硒化鎢(WSe?)的新型催化劑技術(shù)，成果發(fā)表于《材料科學(xué)與工程：R：報(bào)告》期刊。

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與耐久性。具體是通過將鉑原子引入二維納米材料（WSe?）的層狀結(jié)構(gòu)，并在硒原子缺失處人為制造原子級(jí)空位實(shí)現(xiàn)的。

這些空位可作為高效反應(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）的速率。其技術(shù)意義重大，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)，最大限度發(fā)揮了二維材料的價(jià)值。

圖說：M-Pt:WSe2的長期循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能

采用該催化劑的鋰空氣電池，即便在1C倍率的快速充放電條件下，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。

這表明，即便在高速充電條件下，這款鋰空氣電池也可能成為性能衰減最小的下一代電池。該方法不僅提高了效率，還保持了導(dǎo)電性，在能源應(yīng)用領(lǐng)域十分有效。

這項(xiàng)研究利用整個(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(jí)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?！?/p>

除鋰空氣電池外，該技術(shù)有望推動(dòng)電解水制氫和燃料電池等系統(tǒng)的改進(jìn)，這些系統(tǒng)中高性能催化劑至關(guān)重要。這一進(jìn)步也為降低成本、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，解決了其面臨的主要挑戰(zhàn)。在國際合作支持下，這項(xiàng)研究展現(xiàn)出強(qiáng)大的未來商業(yè)化潛力，可能在推進(jìn)下一代儲(chǔ)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