近日，來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校、美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室和加州州立大學北嶺分校的研究人員在《Nature》上發表了一篇研究成果，稱已經成功研發出“鋰空氣”電池，該技術產品最終可能成為鋰離子電池的最佳替代者，有可能幫助突破電動汽車里程瓶頸。

過去的鋰空氣電池工作受到生命周期短和需要使用純氧(因此稱為鋰-氧電池)的阻礙;因此氧氣罐必須是電池系統的一部分，由于但由于所占空間大，使其一般不能用于電動車輛。而最新研發的使用外部空氣的鋰空氣電池消除了這個問題。

這項工作的主要特點包括鋰金屬陽極的新保護涂層，該保護涂層可防止陽極與氧發生反應從而惡化，以及允許電池在空氣中運行的新型電解質混合物。在空氣環境下的測試中，該電池在700次循環中保持了高性能，遠遠超過了以前的技術。

“能量儲存容量約為鋰離子電池的3倍，而在進一步研究的情況下，可以實現5倍儲能。”“這將是超越鋰離子電池的重要一步。”芝加哥伊利諾伊大學首席研究員Amin Salehi-Khojin表示。如果鋰空氣電池可以最終走向市場，電動汽車也將擁有和汽油車同樣級別的續航里程!這對清潔能源未來的發展也將有著重要意義。

芝加哥伊利諾伊大學的研究人員對電池進行了測試、分析和表征，而阿貢的研究人員主要負責基礎科學計算研究，以確定該系統在空氣中的工作方式，以及哪些因素有助于提高循環穩定性。這項工作由約500個原子大小的系統上的數十個從頭開始的分子動力學模擬組成——這樣的計算很密集且需要使用領導級計算設施。

他們使用納米材料中心(CNM)高性能計算集群在較小尺寸(約200個原子)上進行初始運行;根據Argonne材料科學部的助理材料科學家Badri Narayanan和論文作者的說法，他們每周要用上約128個核心。

在Argonne Leadership Computing Facility的Vesta系統上進行了大型系統(500個原子)的更長生產運行。在ALCF上，他們使用了512個計算內核，每個運行周期為3周。所有計算均使用高度平行密度泛函理論代碼(VASP)進行。這些新知識對于科學家繼續努力開發全尺寸鋰空氣電池應該是至關重要的。

以下是論文摘要的精華部分：

“然而，迄今為止，由于涉及陰極、陽極和電解質的副反應，這樣的系統基本上局限于純氧環境(鋰-氧電池)并且循環壽命有限。在存在氮氣、二氧化碳和水蒸氣的情況下，這些副反應可能變得更加復雜。此外，由于需要儲存氧氣、鋰-氧體系的體積能量密度對于實際應用而言可能太小。在這里，我們看到了一個包含碳酸鋰基保護陽極，二硫化鉬陰極和離子液體/二甲基亞砜電解質的系統，該系統在模擬空氣環境中作為鋰空氣電池工作，循環壽命長達700次。

“我們進行計算研究，以深入了解該環境中系統的運行情況。這種在類似空氣的氣氛中循環壽命長的鋰-氧電池的展示是超越鋰離子技術向該領域發展的重要步驟，可能獲得比傳統鋰離子電池更高的能量密度離子電池。”