锂空气电池：固态电池技术新突破，能量密度或达锂离子电池10倍

本文来自微信公众号：环球零碳，编辑：小澜，作者：环球零碳研究中心

随着电动汽车、电动飞行器、人形机器人等前沿领域的快速发展，动力系统对电池的能量密度与安全性提出了更高要求。

当前商业化的锂离子电池能量密度已接近理论极限，且安全性问题时有发生，开发下一代高性能电池成为全球科研与产业界的共同目标。

在此背景下，固态电池因高能量密度和本征安全性被寄予厚望，成为下一代电池技术竞争的关键。其中，锂空气电池被认为能大幅提升电动汽车续航，理论能量密度可达锂离子电池的10倍以上。

2025年，美国研究人员研发的锂空气电池展现出巨大潜力，其能量密度未来或可与汽油媲美，容量达当前锂离子电池的四倍，预计能量密度为每千克1200瓦时，是已知可充电电池技术中最具潜力的。

这项由伊利诺伊理工学院和阿贡国家实验室科学家主导的研究，关键在于实现了室温下锂空气电池从未达成的四电子化学反应。

这对电池技术意义重大，因为多数锂电池仅能利用单电子或双电子反应，限制了储能能力。

传统锂空气电池会产生超氧化锂（LiO₂）或过氧化锂（Li₂O₂），二者均限制能量输出。

而新电池设计突破了这一限制，实现了氧化锂（Li₂O）的形成与分解，该反应途径能储存更多能量。

图说：锂空气电池示意图

这款新锂空气电池由锂金属阳极、空气阴极和固体陶瓷聚合物电解质（CPE）构成。放电与充电时，锂离子（Li+）从阳极流向阴极，再返回阳极。

技术突破的核心是开发了嵌入富锂纳米颗粒的固态电解质。该复合电解质采用陶瓷-聚环氧乙烷聚合物基体，替代了传统电池中易燃的液态电解质。

新的固态结构不仅提升了安全性，消除了泄漏或燃烧风险，还稳定了电池的电化学过程，这对长期支持更高能量的反应至关重要。

化学反应的核心是强效催化剂磷化三钼（Mo₃P），它促进了关键的四电子转移，同时确保反应在长期使用中保持稳定。

研究人员表示，该电池在室温下至少能承受1000次充放电循环而无明显性能衰减，这是实现实际应用的重要里程碑。

为确认反应发生，团队利用美国能源部纳米尺度材料中心的低温透射电子显微镜进行研究，分析证实了氧化锂的可逆生成与分解，验证了四电子反应的成功。

图说：二维金属WSe₂的催化活性有限

在众多新兴电池方案中，锂空气电池前景广阔，能量密度有望提升十倍以上。但充放电过程中氧反应所需活性催化位点不足，导致反应速率慢、寿命短，阻碍了其商业化。

为解决这一问题，韩国科学技术研究院和先进工程研究院(IAE)的研究团队近期开发了基于二维材料二硒化钨(WSe₂)的新型催化剂技术，成果发表于《材料科学与工程：R：报告》期刊。

这项创新将材料通常不活跃的表面转化为完全活跃的催化层，显著提升了锂空气电池的性能与耐久性。具体是通过将铂原子引入二维纳米材料（WSe₂）的层状结构，并在硒原子缺失处人为制造原子级空位实现的。

这些空位可作为高效反应位点，强烈吸附并活化氧分子，显著提高氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的速率。其技术意义重大，因为它在不降低导电性的前提下，将整个基面转化为活性位点，最大限度发挥了二维材料的价值。

图说：M-Pt:WSe2的长期循环稳定性和倍率性能

采用该催化剂的锂空气电池，即便在1C倍率的快速充放电条件下，也展现出超过550次循环的稳定寿命。此外，在0.1C至3C的宽充放电倍率范围内，与现有高成本商用催化剂（如Pt/C和氧化钌(RuO₂)）相比，该催化剂表现出更优异的稳定性和耐久性。

这表明，即便在高速充电条件下，这款锂空气电池也可能成为性能衰减最小的下一代电池。该方法不仅提高了效率，还保持了导电性，在能源应用领域十分有效。

这项研究利用整个材料作为催化活性位点，克服了二维材料的结构限制。韩国科学技术研究院(KIST)的郑素熙博士表示：“这项研究意义重大，因为它提出了一种原子级控制策略，利用了以前未开发的基面，同时保持了二维材料的结构优势。”

除锂空气电池外，该技术有望推动电解水制氢和燃料电池等系统的改进，这些系统中高性能催化剂至关重要。这一进步也为降低成本、提升整体性能带来了机遇。

研究团队表示，该成果提高了锂空气电池快速充放电性能的稳定性，解决了其面临的主要挑战。在国际合作支持下，这项研究展现出强大的未来商业化潜力，可能在推进下一代储能和高功率移动解决方案方面发挥关键作用。

参考材料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/breakthrough-lithium-air-battery-catalyst-for-evs

[2]https://techxplore.com/news/2026-04-lithium-air-batteries-barriers-newly.html

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X2600015X?via%3Dihub

[4]https://interestingengineering.com/energy/solid-lithium-air-battery-breakthrough

[5]https://interestingengineering.com/energy/why-batteries-fail-particle-motion-new-study