在电池阴极的新概念中，由锂和氧化合物（以红色和白色表示）制成的纳米级颗粒嵌入海绵状的氧化钴晶格（黄色）中，从而使它们保持稳定。

麻省理工学院的工程师提出，一种新的锂氧电池材料可以封装在与传统密封电池非常相似的电池中，但可以为其重量提供更多的能量。

锂空气电池被认为是用于电动汽车和便携式电子设备的非常有前途的技术，因为它们具有提供与其重量成比例的高能量输出的潜力。但是这种电池有一些非常严重的缺点：它们将大量注入的能量以热量的形式浪费掉，并且相对较快地退化。它们还需要昂贵的额外组件来泵入和泵出氧气，采用与传统密封电池截然不同的开孔配置。

但是，一种新的电池化学变化可以用于传统的全密封电池，有望实现与锂空气电池相似的理论性能，同时克服所有这些缺点。

麻省理工学院 Battelle 能源联盟核科学与工程教授 Ju Li在 Nature Energy 杂志的一篇论文中描述了这种称为纳米锂阴极电池的新电池概念；博士后朱智；以及麻省理工学院、阿贡国家实验室和中国北京大学的其他五人。

李解释说，锂空气电池的缺点之一是电池充电和放电所涉及的电压不匹配。电池的输出电压比用于充电的电压低 1.2 伏以上，这表示每个充电周期都会产生显着的功率损耗。“你在充电时浪费了 30% 的电能作为热量。......如果你充电太快，它实际上会燃烧，“他说。

保持稳固

传统的锂空气电池在放电循环中从外部空气中吸入氧气以驱动与电池中的锂发生化学反应，然后在充电循环中的逆反应中将这些氧气再次释放到大气中。

在新的变体中，在充电和放电过程中锂和氧气之间会发生相同类型的电化学反应，但这些反应不会让氧气恢复为气态。相反，氧气留在固体内部并直接在其三种氧化还原态之间转换，同时以三种不同的固体化合物 Li ₂ O、Li ₂ O ₂和 LiO _{2的形式结合}，它们以玻璃的形式混合在一起。这将电压损失降低了五分之一，从 1.2 伏减少到 0.24 伏，因此只有 8% 的电能转化为热能。“这意味着汽车充电速度更快，因为从电池组中排出的热量不再是安全问题，同时还能提高能源效率，”李说。

这种方法有助于克服锂空气电池的另一个问题：由于充电和放电过程中涉及的化学反应将氧气在气态和固态之间转化，因此材料会发生巨大的体积变化，从而破坏结构中的导电路径，严重限制其使用寿命.

新配方的秘诀在于制造纳米级（十亿分之一米）的微小颗粒，其中包含玻璃形式的锂和氧，并紧密地限制在​​氧化钴基质中。研究人员将这些颗粒称为纳米锂。_{他说，在这种形式下，LiO 2}、Li ₂ O ₂和 Li ₂ O之间的转变可以完全发生在固体材料内部。

纳米锂颗粒通常非常不稳定，因此研究人员将它们嵌入氧化钴基质中，这是一种海绵状材料，孔隙只有几纳米。基质稳定了颗粒，也充当了它们转化的催化剂。

Li 解释说，传统的锂空气电池“实际上是锂干氧电池，因为它们确实无法处理湿气或二氧化碳”，因此必须小心地从进入电池的空气中清除这些物质。“你需要大型辅助系统来去除二氧化碳和水，而且很难做到这一点。” 但无需吸入任何外部空气的新电池避免了这个问题。

没有过度充电

该团队表示，新电池本身也可以防止过度充电，因为这种情况下的化学反应自然会自我限制——当过度充电时，反应会转变为另一种形式，从而阻止进一步的活动。“对于典型的电池，如果过度充电，可能会造成不可逆转的结构损坏甚至爆炸，”李说。但对于纳米锂电池，“我们已经将电池过度充电了 15 天，达到其容量的一百倍，但丝毫没有损坏。”

在循环测试中，新电池的实验室版本经过了 120 次充放电循环，容量损失不到 2%，表明此类电池具有较长的使用寿命。而且由于这种电池可以像传统的固体锂离子电池一样安装和运行，而无需锂空气电池所需的任何辅助组件，因此它们可以很容易地适应现有的安装或汽车、电子产品的传统电池组设计，甚至电网规模的电力存储。

该团队表示，由于这些“固态氧”阴极比传统锂离子电池阴极轻得多，因此对于给定的阴极重量，新设计可以存储多达两倍的能量。李说，随着设计的进一步完善，新电池最终可能会再次将容量翻一番。

李说，所有这一切都是在不添加任何昂贵的组件或材料的情况下完成的。他说，他们在这种电池中用作液体电解质的碳酸盐是“最便宜的一种”电解质。氧化钴成分的重量不到纳米锂成分的 50%。总的来说，新电池系统比锂空气电池“可扩展性强、价格便宜且安全得多”，李说。

该团队希望在大约一年内从这种实验室规模的概念验证转变为实用原型。

“这是一项基础性突破，可能会改变氧电池的范式，”未参与这项工作的俄勒冈州立大学化学助理教授季秀蕾说。“在这个系统中，商用碳酸盐基电解质与溶剂化超氧化物梭配合使用效果非常好，这非常令人印象深刻，可能与该密封系统中缺少任何气态 O ₂有关。在整个循环过程中，阴极的所有活性物质都是固体，这不仅具有高能量密度，而且与当前的电池制造基础设施兼容。”