隨著社會科技的發展，人們的衣食住行都離不開能源的支撐。從小物件如手機和筆記本電腦，到交通工具等，都已成為人們生活中不可或缺的一部分。原油等傳統能源雖然有著高效的能量輸出能力，但其對環境的不友好（如大量二氧化碳排放）等一系列缺點已經成為當今社會不能忽視的問題。而新型能源如太陽能，風能等，雖然有著巨大的潛能，但由于其使用對當時環境的依賴性較強，因此要勝任一些需要持續功能的電子設備（如汽車等）依然存在挑戰。因而實現這些的一個支撐力量就要依托于電子儲能設備的改進了，也就是應用于不同領域，有著不同體型的電池了。

圖1：鋰電池工作原理的示意圖。

就此近些年來科學家對電池進行了大量的研究，例如堿性電池（比如Fe/Ni電池和Zn/Mn電池）、傳統的鉛酸電池、鋰硫電池，以及倍受關注的鋰離子電池。相比其它電池，鋰離子電池之所以能受到人們的青睞，是因為其具有比能量大、工作電壓高、循環壽命長、自放電低，無記憶和綠色環保等等優點，廣泛應用于手機和筆記本電腦等，也是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。

鋰離子電池采用一種類似搖椅式的工作原理，充放電過程中 Li+ 在正負極之間來回穿梭，從一邊搖到另一邊，往復循環，實現電池的充放電過程。由于各種電化學儲能于材料體系與設計不同，技術指標亦有所差異。日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的Li-EAD計劃中設定了至2030年蓄電池達到700Wh/kg的高性能指標。目前，鋰離子電池還不能達到的該目標，而鋰-空氣電池的理論計算能量密度可以達到12000Wh/Kg，超過了NEDO提出的指標。在我們詳細闡述鋰空氣電池之前，我們先簡要介紹一下鋰離子電池。

鋰離子電池的原理

鋰離子電池由三部分部分組成：正極（通常是層狀結構的鈷酸鋰及鈷鎳錳鋰化合物、尖晶石結構的錳酸鋰、橄欖石結構的磷酸鐵鋰），負極（通常為石墨層）和電解液；其中氧化還原反應發生于正負極，電解液作為傳送離子遷移的介質。具體來講，在放電過程中，鋰離子在內部電場作用下通過電解液跑路到正極，同時在負極跑掉的電子則通過外電路流向正極（具體反應是intercalation， 感興趣的同學可以google［3］）。在電子從負極到正極的過程中的遷移會做功，這個功也就是用來支撐電子設備工作的能量了。顧名思義，充電的過程就是放電過程的逆過程。

鋰離子電池的主要限制

影響鋰離子的因素有很多，比如溫度、快速充放電、材料的理論容量和能量密度。其中能量密度和理論容量是限制鋰離子電池的兩個主要方面。這里我們先來說一個重要的概念——能量密度（Energy Density）。能量密度，也稱比能量，書面解釋是指在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小，通俗點說就是指單位體積或單位質量所包含的能量。在電池行業，它通常用來比較單位重量的電池所儲存的電量。比如現有商用電池中能量密度比較高的鋰離子電池，其能量密度約500Wh/Kg，如前文所述，這樣的能量密度不足以替代汽油（能量密度約13 000Wh/Kg）用來實現汽車的純電動化。

沒有比較就沒有傷害，傳統鋰離子電池能量密度（0.05-0.1 kwh/Kg），只有車用汽油的能量密度（13 kwh/Kg，雪佛蘭沃藍達）的1%不到！相對于傳統能源如此低效的鋰離子電池為什么又這么受到人們的青睞和認可呢？

這要從鋰離子電池的結構講起。細心的讀者都注意到了，在圖1中，正極和負極的畫風好像不太一樣。比如負極是一些框架而正極是一些片狀藍磚，不過這些不是重點，這只是作者想表示構成正負極的材料不同。但它們的共同點是綠豆般的鋰離子都有序的排隊。這是因為在鋰離子通過電解液遷移到負極的過程中，會與一些早先到達的鋰離子匯合。如果沒有層狀結構，這些先來后到的鋰離子就會形成晶體結構，學術上叫做枝晶。這些晶體會迅速成長比并且聯通正負極，使整個電池從內部短路。通俗的講就像大家都要去停車，在入口處互不相讓結果造成堵車大長隊。而正負極的層狀結構則起到了能夠有序存放這些不同時間到來的鋰離子的功能，好比停車位。因此有著有序層狀結構的正負極對于可充電電池是不可或缺的（圖2）。但正負極材料，以及電解液并不會在放點放電過程中給予能量。因此拖累了電池的整體能量密度。

圖2：鋰電池的工作原理圖：a. 鋰金屬電池；b. 鋰離子電池。層狀結構可以有序的存儲鋰離子，防止枝晶的形成。

影響鋰離子電池的另外一個主要的因素是電極材料本身的容量，值得注意的是，正極是鋰離子電池的重要組成部分，其性能在很大程度上決定了電池的最終性能，許多鋰離子電池的重大技術進步都與正極材料的技術提升密切相關。已知的能夠投入實際應用的正極材料包括層狀結構的鈷酸鋰及鈷鎳錳鋰化合物、尖晶石結構的錳酸鋰、橄欖石結構的磷酸鐵鋰。

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，其發展瓶頸主要在于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，該數值依舊遠遠低于負極材料的容量；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，制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，不適合大規模地開采以及過度消費利用（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制造成本，不利于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，并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。