環(huán)球零碳

　　碳中和領(lǐng)域的《新青年》

　　來源：AI生成

　　撰文| Penn

　　編輯 | 小瀾

　　→這是《環(huán)球零碳》的2008篇原創(chuàng)

　　當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池能量密度已接近理論極限，且安全性問題時有發(fā)生，開發(fā)下一代高性能電池成為全球科研界與產(chǎn)業(yè)界的共同目標。在這一背景下，固態(tài)電池因其高能量密度和本征安全性被廣泛寄予厚望。

　　2026年以來，全固態(tài)電池的輿論熱度持續(xù)升溫，國內(nèi)外鋰電巨頭積極布局，各大汽車廠商紛紛加大研發(fā)投入、加速實現(xiàn)裝車驗證，競賽已經(jīng)日趨白熱化。

　　正當(dāng)人們認為全固態(tài)電池將成為未來電動化出行的終極答案之時，寧德時代卻帶來了關(guān)于下一代電池技術(shù)的大消息。

　　近日，在2026裝備強國論壇上，中國工程院院士、寧德時代首席科學(xué)家吳凱表示，鋰空氣電池將成為寧德時代未來布局方向。他指出，鋰空氣電池是一種以鋰為負極、以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物的電池，理論能量密度將達到現(xiàn)有電池的10倍，將是全球下一代電池競爭的焦點。

　　這并不是寧德時代第一次系統(tǒng)表達“多技術(shù)路線并行”的思路。當(dāng)下，凝聚態(tài)、三元、鐵鋰等路線繼續(xù)服務(wù)當(dāng)前車用和儲能市場，而鋰空氣電池則代表著更高能量密度上限的遠期探索。

　　電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了超百年，最早的鉛酸電池到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了超過一百年。目前液態(tài)鋰電池能量密度天花板也就350Wh/kg左右，而鋰空氣電池能量密度幾乎是當(dāng)前液態(tài)鋰電池的5–10倍，理論能量密度高達3500Wh/kg，已經(jīng)接近燃油的能量密度。

　　基于此，有網(wǎng)友驚呼：“固態(tài)電池還未量產(chǎn)就已經(jīng)落后了？原來鋰空氣電池才是下一代電池技術(shù)的終極方向。”

　　事實上，鋰空氣電池這一技術(shù)路線并非全新技術(shù)，早在上個世紀70年代，就有了鋰空氣電池的概念。1996年，就有團隊利用空氣中的氧氣作為活性物質(zhì)，研發(fā)了第一個可充電的鋰-氧（Li-O2)電池。

　　美國IBM公司在2010年前后也曾做過相關(guān)的研究，希望能開發(fā)出一套讓電動車行駛500公里的鋰空氣電池，不過這個名為“Battery 500”的計劃最后無疾而終。

　　圖說：鋰離子電池與鋰空氣電池的區(qū)別

　　來源：ufinebattery

　　鋰空氣電池，又稱鋰氧電池，屬于金屬空氣電池的一種。其核心是用金屬鋰做負極、空氣中的氧氣做正極，因此它也被稱為“可呼吸電池”。它不需要靠鎳、鈷、錳等比較稀缺的金屬來做正極材料，而是直接“取用”空氣里的氧氣。結(jié)構(gòu)更輕、原理更直接。

　　它與現(xiàn)在的鋰電池最大的區(qū)別是電池正極，鋰離子電池的正極是一整塊實心的NCM或LFP顆粒涂層，而鋰空氣電池的正極是一塊多孔海綿狀的碳材料，主要作用就是讓空氣進去，“借用”外部氧氣參與反應(yīng)，從而大幅降低電池本體重量，提高單位質(zhì)量儲能能力。

　　值得注意的是，鋰空氣電池與固態(tài)電池也不是一回事。固態(tài)電池主要改變的是“電解質(zhì)形態(tài)”：把傳統(tǒng)液態(tài)或凝膠電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)，以提升安全性、能量密度和溫度適應(yīng)性。而鋰空氣電池改變的是“正極反應(yīng)體系”，它的關(guān)鍵在于獲取空氣中的氧氣參與反應(yīng)。

　　就電解液而言，目前已提出并開發(fā)了四種類型的鋰空氣電池：非水系、水系、混合型（非水/水）和固態(tài)鋰空氣電池。固態(tài)鋰空氣電池則是將固態(tài)電解質(zhì)與鋰空氣技術(shù)路線結(jié)合而成。

　　圖說：鋰空氣電池示意圖

　　來源：DGIST

　　具體來看，鋰空氣電池的基本化學(xué)原理包括鋰在鋰電極（負極）上的溶解和沉積，以及在空氣電極（正極）上的氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）。

　　理想情況下，放電過程中主要產(chǎn)物為過氧化鋰（Li2O2），同時在外電路中產(chǎn)生電流；充電時再由過固態(tài)的氧化鋰分解成鋰和氧氣。可以將其理解為像在“呼吸”一樣：放電時吸收氧氣，充電時再把氧氣釋放出來，所以也被人叫作“可呼吸電池”。

　　由于鋰是元素周期表中相對原子質(zhì)量最輕的金屬元素，而氧氣則來自空氣中，全過程無需其它質(zhì)量較大的元素參與，也因此帶來了一個非常亮眼的優(yōu)勢：理論能量密度極高。此外，它不需要靠鎳、鈷、錳等比較稀缺的金屬來做正極材料，負極以鋰為主，整體供應(yīng)鏈更安全，長期來看也具備成本下降空間。

　　不過，鋰空氣電池上線雖高，但是目前也還有不少問題需要解決。比如空氣中水分和二氧化碳易干擾電化學(xué)反應(yīng)，影響循環(huán)壽命；放電產(chǎn)物難以高效可逆分解，導(dǎo)致充電效率受限；電解液穩(wěn)定性、電極界面控制及封裝工藝等工程難題仍待突破。

　　圖說：鋰空氣電池示意圖

　　來源：阿貢國家實驗室

　　針對這些問題，科學(xué)家近年來一直在進行積極探索并取得了一定成果。2025年美國的研究人員創(chuàng)造了一種鋰空氣電池，其能量密度達到了1200Wh/kg，是當(dāng)今鋰離子電池的四倍，室溫下循環(huán)次數(shù)也達到了1000次，這是實現(xiàn)實際應(yīng)用的重要里程碑。

　　這項由伊利諾伊理工學(xué)院和阿貢國家實驗室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的重要進步，關(guān)鍵在于實現(xiàn)四電子化學(xué)反應(yīng)——這是在室溫下運行的鋰空氣電池從未實現(xiàn)過的壯舉。

　　傳統(tǒng)上，鋰空氣電池會產(chǎn)生超氧化鋰（LiO?）或過氧化鋰（Li?O?），但這兩種物質(zhì)都會限制能量輸出。然而，新的電池設(shè)計突破了這一限制，實現(xiàn)了氧化鋰（Li?O）的形成和分解——這種反應(yīng)途徑可以儲存更多的能量。

　　此外，由于充放電過程中氧反應(yīng)所需的活性催化位點不足，導(dǎo)致反應(yīng)速率緩慢、壽命短，阻礙了鋰空氣電池的商業(yè)化進程。

　　為了解決這個問題，近期由韓國科學(xué)技術(shù)研究院和先進工程研究院 (IAE) 的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了一種基于二維材料二硒化鎢 (WSe?) 的新型催化劑技術(shù)。

　　這項創(chuàng)新將材料通常不活躍的表面轉(zhuǎn)化為完全活躍的催化層，顯著提高氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）的反應(yīng)速率，進而提升了鋰空氣電池的性能和耐久性。

　　從產(chǎn)業(yè)節(jié)奏來看，行業(yè)已經(jīng)形成清晰的迭代時序：鈉離子電池實現(xiàn)當(dāng)下規(guī)模化落地，固態(tài)電池承接中期迭代需求，而鋰空氣電池將作為未來10年維度的終極技術(shù)，重塑新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)則。

　　寧德時代此刻明確押注鋰空氣賽道，目的就是鎖定下一代全球電池技術(shù)話語權(quán)，待到技術(shù)瓶頸突破，或?qū)氐赘膶懭加团c新能源的能源格局。

　　參考材料：

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

　　[2]https://interestingengineering.com/energy/catl-12000-wh-kg-lithium-air-ev-battery

　　[3]https://eu.36kr.com/en/p/3835882467865731

　　[4]https://autonews.gasgoo.com/articles/ev/can-batteries-breathe-understanding-lithium-air-batteries-2061435799021887489

　　[5]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261917309091