Ta不回复你怎么办？科学帮你解决

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资料来源:https://www.soogif.com/

今天，当电子产品已经渗透到人类生活中时，人们能听到的最绝望的声音是“啊~为什么没有电？”。虽然手机的性能有所提高，功能丰富，但作为一款便携式手机，电能的损耗相当于一块砖头。这样一来，电池就占据了智能手机发展的咽喉。可以说，现代人生活中的主要矛盾之一是对手机的需求不断增长，而手机的耗电量却在迅速下降。

资料来源:https://baike.sogou.com

近年来，虽然锂离子电池技术不断提高。然而，从某种程度上来说，与传统负极材料制成的电池相比，锂离子电池虽然具有较高的质量和能量密度，但长期以来一直徘徊在困难的瓶颈阶段。造成这一瓶颈的最根本原因是所谓的“物理上限”——锂离子电池存在理论的能量储存上限。

锂离子电池的组成

资料来源:http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f7711e70102ww0x.html

锂离子电池的储能上限是多少？

存在能量储存上限的原因是锂离子电池是一种能将化学能和电能相互转化的装置。任何化学反应系统在反应前后的化学能变化都可以用反应的吉布斯*能来描述:标准状态下化学反应释放或吸收的能量是产物的吉布斯生成量()减去反应物的*能(这可以理解为热力学过程是否可以自发进行的标准，即小于0的*能可以自发进行， 大于0的*能不能自发进行，等于0的*能处于热力学平衡，即。 如果是负的，并且在反应中存在氧化还原(电子转移)，则反应可以自发地产生电化学反应，并且可以被认为是电化学能量存储系统。

计算了使用钛酸锂(Li4Ti5O12)负极的锂离子电池的质量能量密度和体积能量密度。比较了具有2种不同负极和7种正极材料的锂离子电池的质量能量密度和体积能量密度的估计值。

图片来源:从锂离子电池到钠离子电池

在实际的电池单元中，有许多种非活性物质，例如集电器、导电添加剂、粘合剂、隔板、电解质溶液、引线、包装材料等。不包括引线和包装材料，正极和负极活性材料的质量分数为61%。从1990年至今，电池实际能量密度的增加主要是为了增加电池中正负活性物质的质量比，降低非活性物质的质量比。然而，经过20年的努力，很难通过技术进步来提高正负活性物质的质量比。因此，在不更换电极的情况下，很难突破储能的理论上限，实现质的飞跃。

照片来源:作者自制

20世纪70年代，惠廷翰提出并开始研究锂离子电池。随着科学技术的发展，锂电池已经成为主流。今天我们介绍另一种锂电池:锂空气电池。

什么是锂空气电池？

锂空气电池的能量密度可达每公斤12000瓦时，几乎是锂离子电池的10倍，甚至接近汽油的能量水平(每公斤13000瓦时)。“锂空气电池”的概念最早是在20世纪70年代提出的。其核心原理是锂与空气中的氧气反应，直接将产生的能量转化为电能。

锂空气电池工作原理示意图

来源:皮克斯拜

然而，自1970年以来，由于复杂反应过程中不可控的反应产物以及纯氧和循环次数的限制，锂空气电池一直处于理论研究和开发阶段，尚未走出实验室。直到2016年，这个领域最杰出的学者面对世界时，只能低声叹息:“我们几乎一无所知”(引自“理解概念下的理解机制的进展——空气电池”。自然能源，2016，1，16128。最初的翻译是:基本上，我们对锂空气电池的反应过程知之甚少

2018年，一个团队来自伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)、阿尔贡国家实验室和加州州立大学。诺斯里奇的联合研究小组在《自然》杂志上发表了一篇文章，并成功制造了一种锂空气电池，这种电池可以在类似空气的大气中循环700次以上，打破了之前锂空气电池只能使用纯氧且循环寿命短的限制，并让人们看到了用这种理论能量密度极高的电池替代现有锂离子的可能性。

资料来源:http://www.cas.cn/ky/kyjz/201410/t20141009_4220523.shtml

虽然这是个好消息，但目前技术还不够成熟。因为锂空气电池领域仍存在无数问题。

其中，最困难的问题是过氧化锂和过氧化锂(Li2O3和LiO2)(一方面，电化学过程中形成的中间体:过氧化物和过氧化锂从内部降解电池；另一方面，过氧化物和过氧化物会消耗有机电解液，这大大限制了电池的循环寿命。)仍未得到有效解决。电流的改善只能减缓强氧化剂Li2O2对电极的腐蚀速度。然而，这种潜在的安全隐患仍然隐藏在锂和空气之间的反应中。可以说我们只看到了黎明。

参考:

在类似空气的环境中具有长循环寿命的锂氧电池。自然，2018，7697，502。

一种基于可逆四电子转化为氧化锂的高能量密度锂氧电池。科学2018，361，777。

热锂氧电池提前充电。科学，2018，361，758。