开发终极电池的竞赛

剑桥大学的科学家开发了一种工作中的锂氧电池演示器，该锂氧电池具有很高的能量密度，效率超过90％，迄今为止可充电2000次以上。剑桥团队也被称为锂空气电池，在该领域取得了重大进展。

锂氧或锂空气电池由于其理论能量密度而被认为是最终的电池，其理论能量密度是锂离子电池的十倍。如此高的能量密度可以与汽油相媲美，汽油使电动汽车的电池成本仅为目前市场价格的五分之一，而重量却仅为目前市场的五分之一–可以一次从伦敦到爱丁堡收费。

剑桥大学的科学家表明，锂空气电池成为汽油的可行替代品之前，需要解决几个实际挑战。他们已经开发了一种基于实验室的锂氧电池演示器，与以前的尝试相比，它具有更高的容量，更高的能源效率和更高的稳定性。

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还原的氧化石墨烯电极（黑色，中间）的假彩色显微镜图，该电极具有大的（约20微米）氢氧化锂颗粒（粉红色），当锂氧电池放电时会形成粉红色。碘化锂有助于在充电时去除颗粒，从而形成高效且高能量密度的电池。单击下面的“科学”链接以获取更多信息。单击图像以获取最大视图。

该演示器依靠由石墨烯制成的高度多孔，蓬松的碳电极（包含一个原子厚度的碳原子片）和可改变电池工作中化学反应的添加剂，从而使其更稳定，更高效。尽管《科学》杂志报道的结果令人鼓舞，但研究人员告诫，实际的锂空气电池至少还有十年之遥。

剑桥大学化学系的克莱尔·格雷教授（Clare Gray）的论文资深作者说：“我们取得的成就是这项技术的重大进步，并提出了全新的研究领域–我们尚未解决该化学固有的所有问题，但我们的结果确实表明朝着实用的设备前进。”相关：石油市场僵局持续到2016年底？

除电池外，我们每天使用的许多技术每年都在变得越来越小，越来越快，越来越便宜。除了可以持续使用数天而不需要充电的智能手机外，与制造更好的电池相关的挑战还阻碍了两种主要清洁技术的广泛采用：电动汽车和用于太阳能的网格规模存储。

同样来自化学系的刘涛博士和论文的第一作者说：“电池以最简单的形式由三部分组成：正极，负极和电解质。”

在笔记本电脑和智能手机中使用的锂离子（Li-ion）电池中，负极由石墨（一种碳的形式）制成，正极由金属氧化物（例如钴酸锂）制成，并且电解质是溶解在有机溶剂中的锂盐。电池的作用取决于电极之间锂离子的运动。锂离子电池很轻，但是容量会随着时间的流逝而降低，并且其相对较低的能量密度意味着它们需要经常充电。

在过去的十年中，研究人员一直在开发各种可替代锂离子电池的替代品，并且锂空气电池由于其极高的能量密度而被认为是下一代能量存储的终极产品。然而，先前在工作的示威者的尝试效率低，速率性能差，不希望的化学反应，并且只能在纯氧气中循环。

Liu，Gray和他们的同事开发的化学方法与早期的非水锂空气电池尝试所采用的化学方法截然不同，它依靠氢氧化锂（LiOH）而不是过氧化锂（Li2O2）。通过添加水和使用碘化锂作为介体，他们的电池显示出更少的化学反应，这些化学反应会导致电池死亡，从而使其在多次充放电循环后更加稳定。

通过精确地设计电极的结构，将其更改为高度多孔的石墨烯形式，添加碘化锂，并更改电解质的化学组成，研究人员能够将充放电之间的电压差减小至0.2伏。较小的电压间隙等于更高效的电池，因为以前版本的锂空气电池只能将间隙降低到0.5 – 1.0伏，而0.2伏则比常规锂离子电池更小，并且等同于达到93％的能源效率。

尽管仅在一定的充电和放电速率下，高度多孔的石墨烯电极还极大地提高了演示器的容量。仍然必须解决的其他问题包括找到一种保护金属电极的方法，以使其不会形成纺丝状的锂金属纤维，称为树突，如果树长太多，可能导致电池爆炸并短路电池。相关：美国产量终于开始显着下降

此外，演示器只能在纯氧气中循环，而我们周围的空气还包含二氧化碳，氮气和湿气，所有这些通常对金属电极有害。

刘说：“还有很多工作要做。但是我们在这里看到的结果表明，有解决这些问题的方法-也许我们只需要对事物有所不同即可。”

格雷在新闻发布会上总结道：“尽管仍有许多基础研究有待完成，以找出一些机械细节，但目前的结果非常令人激动–我们仍处于开发阶段，但是我们已经证明了可以解决与该技术相关的一些棘手问题的解决方案。”

剑桥大学的研究结果令人鼓舞。极高的效率，高的密度，已经超过五年的每日充电周期，这就像梦一样。尽管距离十年似乎还很长，但“以不同的眼光看待事物”中的更多思想可能会大大加快事物的发展。

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