1. 鋰離子電池瓶頸到來

近些年，關(guān)于鋰離子電池的“突破”紛至沓來。“容量翻倍”“續(xù)航持久”“快速充滿”等關(guān)鍵詞，不斷撩撥大眾的神經(jīng)。

但隨之而來的理性分析，又使這些浮華的修飾盎然失色。人們紛紛抱怨媒體標(biāo)題誤人，并沒有切實(shí)解決目前的現(xiàn)狀與困難。

誠然，鋰離子電池技術(shù)在不斷進(jìn)步。但從某種層面講，鋰離子電池早已徘徊在舉步維艱的瓶頸階段。

造成這一瓶頸的最根本原因，是所謂的“物理天花板”——鋰離子電池存在理論的儲能上限。

而且，很不幸，我們快要接近這個(gè)上限了。

根據(jù)技術(shù)發(fā)展的“S型曲線”理論，一項(xiàng)技術(shù)大體是從出生、發(fā)展到瓶頸，直到被另一項(xiàng)技術(shù)所取代。鋰離子電池也逃不出這樣的宿命循環(huán)。

當(dāng)舊勢力增長乏力的時(shí)候，新的勢力總能異軍突起，支撐起新的發(fā)展。

在接替鋰離子電池的眾多技術(shù)中，鋰空氣電池，可能是個(gè)答案。

若要談及未來，我們也不敢放下百分之百的論斷，只是提供一種接替“鋰離子電池”的技術(shù)備選。
2. 初顯鋒芒，鋰空氣電池步履蹣跚

雖然名稱近似，但“鋰離子電池”和“鋰空氣電池”是全然不同的兩個(gè)體系，所涉及的原理也大相徑庭。

“鋰空氣電池”這個(gè)概念，最早見于1970年代。它的核心原理，是讓鋰與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，將產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)為電能。

這就如同燒木頭或燒煤炭，作為人類獲取能源最普遍的方式，讓原料與氧氣直接反應(yīng)，所帶來的是極高的能量釋放。據(jù)計(jì)算，鋰空氣電池的能量密度可以達(dá)到每千克12000瓦時(shí)，這一數(shù)值幾乎是鋰離子電池的10倍，甚至接近了汽油的能量水平（每千克13000瓦時(shí)）[1]。

鋰與空氣的這看似簡單組合，將電池技術(shù)的物理天花板，提升了整整一個(gè)數(shù)量級！

而且，它使用的氧氣來自于空氣，這部分原料近乎無限。

然而，事情注定不會如此簡單。在這方興未艾的背后，潛藏著的，仍然是一篇混沌：鋰空氣電池中發(fā)生的反應(yīng)太過復(fù)雜，還伴隨著無數(shù)的副產(chǎn)物生成。甚至很多科學(xué)家們會感覺自己的研究其實(shí)是“玄學(xué)”。

2016年，來自美國和歐洲的幾位鋰空氣的專家湊在一起，為《自然·能源》寫了一篇介紹鋰空氣電池發(fā)展現(xiàn)狀的文章[1]，里面開篇就是一句：

“在基礎(chǔ)層面，我們對（鋰空氣）電池中的反應(yīng)過程所知甚少。”

隨后，又說：

“沒人知道鋰空氣電池是否會成為一項(xiàng)技術(shù)，但是為了社會發(fā)展和人類未來，我們應(yīng)該盡力而為去探究（鋰空氣電池的）可能性”

也就是說，經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，這個(gè)領(lǐng)域中最杰出的學(xué)者，面對世人時(shí)，卻只能低聲地嘆息： “我們幾乎一無所知”。 

比起那些“充電10分鐘，續(xù)航1000里”的報(bào)道，這絕對是一篇“謙虛”的論文。 因?yàn)閷W(xué)者們都心里有數(shù)，人類在鋰空氣的研究中已經(jīng)栽了太多跟頭。

有個(gè)業(yè)內(nèi)的八卦，說是一位很有名望的科學(xué)家發(fā)了一篇鋰空氣電池的文章，達(dá)到了一個(gè)很棒的性能，可別人怎么也重復(fù)不出來。后來發(fā)現(xiàn)，他所做的鋰空氣電池中，發(fā)生反應(yīng)的其實(shí)是集流體和電池殼，而不是預(yù)想的金屬鋰。最后鬧得尷尬收場。

甚至有些科研巨頭也難逃鋰空氣的詛咒。

從最早的移動原子到后來的量子計(jì)算，美國IBM公司在微觀科學(xué)領(lǐng)域，可以說是執(zhí)牛耳者。他們就曾想攻下鋰空氣電池這個(gè)山頭。

IBM在2009年推出一項(xiàng)名為“Battery 500”的計(jì)劃，希望能開發(fā)出一套讓電動車行駛500公里的鋰空氣電池。項(xiàng)目伊始，他們設(shè)想在2013年造出原型機(jī)，2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

但是，2012年之后， “Battery 500”就戛然而止了，很難在網(wǎng)上搜到其只言片語。如果不是IBM有意雪藏，那就只能說明，這個(gè)計(jì)劃已然擱淺。

也有傳言說IBM并沒放棄，而是轉(zhuǎn)向了其他方案。但這些江湖傳聞，我們也只能姑且聽之，真假難辨。

3. 不斷探索，迷霧中曙光初現(xiàn)

雖然前路漫漫，但鋰空氣電池卻也在悄然生長，緩緩發(fā)展。

讓我們從IBM“失敗”之后開始敘述，看看在藍(lán)色巨人倒下后，又發(fā)生了什么。

首先，需要回顧一下鋰空氣電池的基本要點(diǎn)。一塊鋰空氣電池，由負(fù)極（金屬鋰）、正極（空氣中的氧氣）和電解液組成。雖然只有簡單的三個(gè)部分，但每一部分的研究都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

以電解液為例。此前，常用于電池中的電解液是聚碳酸酯，它們不僅易燃易爆，而且在充放電時(shí)會不斷侵蝕電極，基本上幾次充放電后，一塊鋰空氣電池就算報(bào)廢了。

2012年，來自牛津大學(xué)的化學(xué)家彼得·布魯斯提出把聚碳酸酯換成一種名叫二甲基亞砜（DMSO）基電解液。這種新型電解液就不那么容易與電極發(fā)生反應(yīng)。于是，他們成功地讓鋰空氣電池穩(wěn)定循環(huán)了100次[2]。

然而，隨著研究深入，很多人開始對這個(gè)電解液產(chǎn)生質(zhì)疑。原因倒不是出自二甲基亞砜本身，而是源自一種鋰空氣反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物——過氧化鋰（Li2O2）。過氧化鋰是一種強(qiáng)氧化劑，會把二甲基亞砜氧化二甲基砜，從而造成電池性能的極大衰減。 

有的研究組發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@個(gè)氧化現(xiàn)象太嚴(yán)重，他們的電池循環(huán)了幾十次后，整個(gè)電解液都變了顏色。人們甚至推測，布魯斯的團(tuán)隊(duì)當(dāng)初之所以循環(huán)100次，正因?yàn)檫@是二甲基亞砜保質(zhì)的上限。

隨后的進(jìn)展來自于美國阿貢實(shí)驗(yàn)室。這家老牌研究所誕生于二戰(zhàn)時(shí)期，曾制造出人類歷史上第一個(gè)可控核反應(yīng)堆。冷戰(zhàn)之后，阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究轉(zhuǎn)向于能源方向，成為電池領(lǐng)域最受尊敬的機(jī)構(gòu)之一。

一個(gè)來自阿貢實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，通過將一種名為離子液體的材料與二甲基亞砜混合，成功地增強(qiáng)了電解液的穩(wěn)定性。此外，他們還利用納米技術(shù)，在原有電極的表面增加了一層保護(hù)膜。這兩方面的設(shè)計(jì)，極大的降低了副反應(yīng)的發(fā)生，這個(gè)團(tuán)隊(duì)成功地將鋰空氣電池的循環(huán)記錄提高到了750次[3]。

這個(gè)重要的進(jìn)步激發(fā)了媒體與大眾的興趣，一時(shí)間宣傳文案鋪天蓋地，甚至有人開始宣稱“鋰空氣電池的時(shí)代已經(jīng)到來”。

針對這一問題，人們要返璞歸真到熱力學(xué)的本質(zhì)中去尋找答案。

我們都知道，溫度會對一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生巨大影響。如果將環(huán)境溫度提高到150℃以上，那么，鋰和氧氣的反應(yīng)就會優(yōu)先生成氧化鋰（Li2O）。Li2O的氧化性就相對溫和，對電極的腐蝕作用也要緩慢很多。

既然如此，我們就再換一種電解液吧。在近期的《科學(xué)》雜志上，來自加拿大的科學(xué)家們，使用熔鹽作為電解液解決了這個(gè)問題，

他們將兩種硝酸鹽（LiNO3和KNO3）混合，并加熱到150℃。此時(shí)，這種混合物會融化成液態(tài)。使用這個(gè)液態(tài)的熔鹽，再配合上新設(shè)計(jì)的電極材料，居然成功規(guī)避掉了暴躁的Li2O2。在他們的實(shí)驗(yàn)臺上，整個(gè)鋰空氣電池平穩(wěn)運(yùn)行了起來，而且中間產(chǎn)物全部是溫和的Li2O。更令人欣喜的是，研究者發(fā)現(xiàn)這種全新的鋰空氣電池，表現(xiàn)出了更強(qiáng)的儲能能力！

舊技術(shù)，成熟與衰落；新技術(shù)，誕生與波折。電池的發(fā)展，無可幸免伴隨著這些起伏與迷茫。一個(gè)問題的解決，又帶出了另一個(gè)，甚至另幾個(gè)新問題。

在看不到盡頭的往復(fù)中，鋰空氣電池，是否還能給人類一個(gè)儲能的答案？