環(huán)球零碳

碳中和領域的《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)

在電動汽車、電動飛行器、人形機器人等前沿領域快速發(fā)展的今天，動力系統(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。

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競爭的關鍵制高點。其中，鋰空氣電池被認為具有大幅提升電動汽車續(xù)航里程的潛力，其理論能量密度可達鋰離子電池的10倍以上。

在邁向下一代電池技術的重大飛躍中，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，容量可達當今鋰離子電池的四倍?？蒲腥藛T預計其能量密度可達每千克1200瓦時，是目前已知可充電電池技術中最具潛力的。

這項由伊利諾伊理工學院和阿貢國家實驗室的科學家領導的尖端發(fā)展，關鍵在于實現(xiàn)四電子化學反應——這是在室溫下運行的鋰空氣電池從未實現(xiàn)過的壯舉。

這對于電池技術而言，意義重大，因為大多數(shù)鋰電池只能利用單電子或雙電子反應，限制了它們可以儲存的能量。

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

然而，新的電池設計突破了這一限制，實現(xiàn)了氧化鋰（Li?O）的形成和分解——這種反應途徑可以儲存更多的能量。

圖說：鋰空氣電池示意圖

來源：阿貢國家實驗室

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。

這項技術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)電池設計中使用的易燃液態(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險，而且還穩(wěn)定了電池的電化學過程，這對于長期支持更高能量的反應至關重要。

該化學反應的核心是一種強效催化劑：磷化三鉬（Mo?P）。這種催化劑促進了關鍵的四電子轉(zhuǎn)移，同時確保反應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)而不會出現(xiàn)明顯的性能衰減——這是實現(xiàn)實際應用的重要里程碑。

為了確認所需的反應確實發(fā)生了，該團隊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行了研究。他們的分析證實了氧化鋰的可逆生成和分解，驗證了四電子反應的成功。

圖說：二維金屬 WSe? 的催化活性有限

來源：韓國科學技術研究院

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所需的活性催化位點不足，導致反應速率緩慢、壽命短，阻礙了鋰空氣電池的商業(yè)化進程。

為了解決這個問題，近期由韓國科學技術研究院和先進工程研究院 (IAE) 的研究人員領導的團隊開發(fā)了一種基于二維材料二硒化鎢 (WSe?) 的新型催化劑技術。該研究成果已發(fā)表在《材料科學與工程：R：報告》期刊上。

這項創(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現(xiàn)的。

這些空位可作為高效的反應位點，強烈吸附并活化氧分子，顯著提高氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的反應速率。其技術意義尤為重大，因為它在不降低導電性的前提下，將整個基面轉(zhuǎn)化為活性位點，從而最大限度地發(fā)揮了二維材料的應用價值。

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，而且保持了導電性，使其在能源應用領域具有很高的有效性。

這項研究成果利用整個材料作為催化活性位點，克服了二維材料的結(jié)構(gòu)限制。韓國科學技術研究院 (KIST) 的鄭素熙博士表示：“這項研究意義重大，因為它提出了一種原子級控制策略，利用了以前未開發(fā)的基面，同時保持了二維材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢?！?/p>

除了鋰空氣電池之外，這項技術有望推動電解水制氫和燃料電池等系統(tǒng)的改進，在這些系統(tǒng)中，高性能催化劑至關重要。這項進步也為降低成本、同時提升整體性能帶來了機遇。

研究團隊表示，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，這項研究展現(xiàn)出強大的未來商業(yè)化潛力，并可能在推進下一代儲能和高功率移動解決方案方面發(fā)揮關鍵作用。

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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