许多我们每天使用的技术每年都在变得更小、更快和更便宜，然而电池是个明显的例外。除了可实现智能手机数天不需要充电以外，做出更好的电池也会促进两项重要清洁技术广泛应用：电动汽车和太阳能电网存储。

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科学家开发了一个实验室运行的锂氧电池演示系统，具有非常高的能量密度，效率超过90%，到目前为止，可充电超过2000次，显示了解决阻碍这些设备发展问题的一些方法。

锂氧或者锂空气电池已经被吹捧为“终极”电池，由于其理论上的能量密度是锂离子电池的十倍。如此高的能量密度可与汽油相比，将是目前市场上电动汽车电池成本和重量的五分之一，而且从伦敦到爱丁堡只需充电一次。

然而，同与其他下一代电池一样，在锂空气电池成为一种可行的石油替代物之前，有一些实际的挑战需要解决。

目前，剑桥大学研究人员已演示了怎样可以克服这些障碍，并开发了实验室锂氧电池演示系统，与之前的尝试相比，该电池具有更高的容量，并提升了能量效率和稳定性。

他们的演示系统采用一种高度多孔和蓬松的碳电极，由石墨烯(单原子碳原子片)和改变电池工作化学反应的添加剂组成，使其更稳定并更有效率。发表在《Nature》期刊中的结果是有前途的，但研究人员说实用性的锂空气电池仍需要至少十年时间。

“我们所实现的是该技术领域的一项重大突破，并预示着全新的研究领域。虽然我们还没有解决固有的化学难题，但研究结果显示了一条通往实用设备的道路，”剑桥化学系的教授兼论文作者Clare Grey说。

每年，许多我们每天使用的技术每年都在变得更小、更快和更便宜，然而电池是个明显的例外。除了可实现智能手机数天不需要充电以外，做出更好的电池也会促进两项重要清洁技术广泛应用：电动汽车和太阳能电网存储。

“电池最简单形式是由三个组件构成：正极、负极和电解质，”化学系博士兼论文第一作者LiuTao说。

对于笔记本电脑和智能手机中所使用的锂电池，负极是由石墨构成，正极由锂钴氧化物一类金属氧化物构成，同时电解质是溶解在有机溶剂的锂盐。电池的运行取决于电极之间锂离子的运动。锂离子电池很轻，但容量随着使用时间增长而降低，相对低的能量密度意味着它们需要经常充电。

过去的十年中，研究人员一直在开发锂离子电池的各种替代物，由于其极高的能量密度，锂空气电池被认为是下一代的终极储能电池。然而，先前尝试的演示系统具有低效率和低倍率性能，以及不必要的化学反应，并且只能在纯氧中循环使用。

Liu、Grey和他们的同事们开发的电池与早期尝试非水锂空气电池相比，采用了不同的化学反应，依靠氢氧化锂(LiOH)而不是过氧化锂(Li2O2)。加入水和碘化锂作为“媒介”，他们的电池显示出更少会破坏电池的化学反应，在多个充电和放电周期后更加稳定。

通过精确地设计电极结构，改用高度多孔的石墨烯，添加碘化锂，并改变电解液的化学组成，研究人员能够将充放电之间的电压差到0.2伏。小电压差相当于更高效的电池，以前版本的锂空气电池只能设法把差降到0.5-1.0伏，而0.2伏更接近锂离子电池，具有93%的能量效率。

高度多孔的石墨烯电极也大大地提升了演示系统的容量，虽然充放电只在特定的效率。其他仍需要解决的问题包括找到一种保护金属电极的方法，使电极不会形成被称为枝晶的细长锂金属纤维，如果枝晶生长过多，可能会导致电池短路和爆炸。

此外，演示系统只能在纯氧中循环，而我们周围的空气也含有二氧化碳、氮气和水分，所有这些通常对金属电极有害。

“仍旧还有很多工作要做，”Liu说。“但是我们所看到的显示了解决这些问题的方法，也许我们只是以不同视角看待这些事情。”

“尽管仍有大量的基础研究需要做，为了消除一些机械细节，目前的结果是非常令人兴奋的，我们仍处在发展阶段，但是发现了一些技术难题的解决方案，”Grey说。

 新材料在线编译整理——翻译：Grubby    校正：摩天轮