據《日本經濟新聞》1月26日報道，美國阿爾貢國家實驗室等機構通過提升鋰空氣電池容量大大提高了其耐用性，并已實現1000次充放電，達到實用標準。該成果除了延長電動汽車(EV)續航里程外，還有助于飛機、卡車實現電動化，預計將于2030年后投入使用。

阿爾貢國家實驗室和伊利諾伊理工大學試制了被稱為“夢想電池”的鋰空氣電池。其理論容量約為每千克3000瓦時，是上限僅為300瓦時的鋰電池的10倍。

阿爾貢國家實驗室專家拉里·柯蒂斯稱鋰空氣電池的能量密度在新一代電池中最高。該實驗室的目標是讓鋰空氣電池的容量達到鋰離子電池的4倍。該水平將使EV充電一次的續航里程超過1000英里(約合1609公里)，是當前標準EV的4倍左右。

傳統鋰離子電池的容量難以進一步提升。除鋰空氣電池外，還有以硫作為正極的鋰硫電池、以鋰作為負極的鋰金屬電池、以固體電解質替代液體電解質的全固態電池也在開發中。

不過，不管哪一種電池，最高只能將其容量提升至現在的1.5至2倍。鋰空氣電池在鋰金屬負極中儲存了大量攜帶電子的鋰離子，通過使用空氣中的氧氣代替鋰化合物作為正極，可以減輕電池的重量。

但是，之前鋰離子與氧氣在放電過程中相結合，容易產生雜質過氧化鋰。這種物質在充電過程中很難轉化回鋰離子，因此容易導致對電池施加的電壓過大，從而使電池老化。

鋰金屬晶體有可能在負極上以針狀生長，延伸到正極會造成短路，因此此種電池只能進行幾十次充放電。

為克服這一缺點，阿爾貢國家實驗室使用固體電解質代替液體電解質。固體電解質是將專門為此開發的鋰磷化合物融入鋰鹽與樹脂的復合物制成的。

研究人員將電解質夾在正負極之間試制成電池。其容量為每千克685瓦時，是鋰電池的兩倍多。固體電解質很難被分解，并且由于它緊密貼附在負極上施加壓力，可以防止生成針狀鋰晶體。其在放電過程中難以產生過氧化鋰，即使反復充放電1000次仍能保持88%的容量。

但是固體電解質存在離子傳輸能力較差、難以產生高電壓和強電流等問題。離子傳輸能力根據電解質所使用的元素類型和比例而不同。研究人員未來將繼續尋找最佳的電解質配比，將電池性能提升數倍，并將固體電解質變得更薄、更輕，提升電池單位容量。

柯蒂斯認為，這些改良有望將新型電池容量提升到相當于鋰離子電池4倍的每千克1200瓦時，他們正在同車企共同致力于實現新型電池的實用化。

目前，汽車領域中大型汽車的電動化進程相對滯后。如果能將新型電池投入實際使用，就能實現美國城際遠距離卡車的電動化，飛機電動化可能也不再是夢想。

盡管阿爾貢國家實驗室在利用固體電解質延長鋰空氣電池壽命的研究上處于領先地位，但是全世界都在取得進展。韓國蔚山科學技術院2020年實現了此類電池充放電100次，并已申請和公開了多項相關專利。

日本物質與材料研究機構(NIMS)與軟銀等公司開展合作，通過將固體電解質薄膜與液體電解質相結合，在2023年實現20次以上的充放電。

日本東北大學通過使用電解液延長電池正極壽命。其在電池正極采用具有許多直徑7納米孔隙的碳材料，對易因氧氣等物質貼附而變質的區域進行熱處理。如此一來，即使對電池進行充放電，正極也不會老化。

大阪大學教授中西周次等人在日本科學技術振興機構(JST)的支持下，將從2月開始與美國、德國、英國研究者開展至2028年度末截止的國際聯合研究。其目標是在2030年代前半期實現新型電池的實用化。

美國阿爾貢國家實驗室的科研人員在進行鋰電池研究(美國阿爾貢國家實驗室網站)