如果问，动力电池的终极答案是什么？
相信绝大多数人一定会毫不犹豫地回答，固态电池。
但随着一项颠覆认知的电池技术浮出水面，全固态远远不是动力电池的终点。
前段时间，宁德时代首席科学家、中国工程院院士吴凯透露了下一代研发的核心方向——锂空气电池Li-Air，也有人管它叫锂氧电池。
作为电池界的“核武器”，锂空气电池有着极其逆天的理论能量密度：几乎和12330Wh/kg的汽油相当，但利用效率却是汽油的3倍不止。
就算把参与反应的氧气算进来，也能有3500Wh/kg的极限重量能量密度，和3400Wh/L的极限体积能量密度。
这也就是说，一个60L油箱大小、不到100kg的电池，就能装下200度电，实际续航能轻松跑到1000甚至2000km。
也因此，锂空气电池一度被业内视为“电动车的终极解决方案”。
虽然上面这些夸张的只是账面数据，暂时还停留在实验室的理想环境中。
但如果锂空气电池能成功量产并大规模上市，必将彻底重塑汽车行业，甚至改写整个人类交通、电力、能源的历史进程。
看到这里，相信有小伙伴会好奇：全固态电池还没量产呢，难道就要被淘汰了？
借此机会我们就一起聊聊，锂空气电池到底是什么？为何性能会这么强？距离产业化落地还需要克服哪些技术难题？
01. 空气，是电池的一部分？
实际上，早在上世纪70年代，锂空气电池的概念就已经被提出了。
到了1996年，有团队利用空气中的氧气作为活性物质，研发了第一个可充电的锂空气电池。
再到2010年前后，美国IBM公司还曾做过一系列研究，希望开发出基于锂空气电池，续航超500公里的纯电动车，给项目名称起为“Battery 500”。
但最终评估下来，还是因为落地难度实在太大，只能不了了之。
直到最近几年，中科大、北师大、美国伊利诺伊大学、英国剑桥大学等高校实验室，才对锂空气电池有了比较明显的研究进展突破。
众所周知，我们大部分人日常生活中通常能接触到的物质，基本上可以分为固态、液态、气态三种状态。
既然电池区分液态和固态，具体指的是电解液的状态，那是不是意味着锂空气电池用的是气态电解质呢？
实际上并不是，因为锂空气电池改变的并非电解质，而是正极材料。
我们先来看传统意义上的锂电池，无论液态还是固态电解质，其充放电都遵循摇椅效应。
简单来说就是，电池充电时，锂离子都被集中驱赶到了摇椅一端（正极）；电池放电时，锂离子从正极端脱出，顺着电解质跑到了摇椅的另一端（负极）。
可无论摇椅怎么摇摆，电池的反应始终都是坐在摇椅上的，因为电池本身是一个完全封闭的系统，只能在电池内部进行化学反应。
而锂空气电池最大的不同，就是整个反应池与外部环境连通，它是一个开放系统。
它的负极直接是金属锂，而正极则是多孔碳组成的“基板”，外部空气中的氧气可以嵌入碳的空隙之中，充当电池的正极材料。
放电时，负极的金属锂会和氧气发生氧化反应，生成过氧化锂（Li₂O₂）；
充电时，锂空气电池中的过氧化锂在电流激发下重新被还原成金属锂，同时排出氧气。
正因锂空气电池的充放电类似咱们平时的呼吸动作，因此也有人给它起了个形象的外号，叫作“会呼吸的电池”。
传统电池之所以能量密度受限，主要是因为里面装了太多东西：正极、负极、电解质、隔膜……所有这些结构都有体积、有重量。
但锂空气电池，打破了这一限制：电池自身只搭载负极作为实际反应物，另一半反应物氧气甚至可以不算在电池头上，而是从空气中提取。
某种程度上，整个大气都是电池的一部分。
除此之外，反应物过氧化锂的材料也是特别亮眼，分子量仅为45.88，反应时却能转移两个电子。
而磷酸铁锂的分子量高达157.75，反应时却只能转移1个锂离子。
也就是说，锂空气电池单位质量的“载电能力”，天然就比传统电池高出好几倍。
重量又轻、能量又高，这两头都占上，才造就了锂空气电池夸张的能量密度。
除了能量密度高以外，锂空气电池还有一个较为显著的优势，原材料成本低。
三元锂电池常年受困于钴、镍等贵金属，原材料成本居高不下。而锂空气电池正负极只用到了锂和碳两种元素，基本上不存在被原材料“卡脖子”的风险。
理想状态下，锂空气电池的度电价格甚至能低于磷酸铁锂电池。
正因简单的结构，它对后续的电池回收也十分友好。
传统锂电池在拆解打粉后，需要通过高精度的离心机或化学萃取法进行分离提纯，途中不可避免地产生大量重金属废水。
要想达到电池级原材料的标准，同时排放合规，成本是非常高昂的。
相比之下，锂空气电池里大部分都是锂和碳，氧化反应催化剂也基本是铝、铜等线缆。元素简单，筛选提纯、排放合规的难度明显要低很多。
02. 量产落地，前路坎坷
如果只看优点，锂空气电池就是无敌的存在：
只要电网稳定，燃油车就彻底没了存在的必要。
但……优点越突出，缺点就越难回避。锂空气电池在真正落地之前，还真需要克服不少难题。
首先，锂空气电池最大的问题就是，不耐用。
目前，磷酸铁锂电池的循环寿命普遍能做到3000次以上，三元锂电池也有2000-2500次。按照一次能跑400km来算，就是百万级别的里程。
反观锂空气电池，即便是在实验室工况下，大多也只能做到300-500次。封装成电池包在真实工况下运行，可能就只剩100多次了，稍微跑得多点，一年就要报废。
这背后的原理是，锂空气电池的正负极只要充放电，就会产生不可逆的损伤。
先说说负极金属锂，出厂时的状态肯定是规则平整的。
但经过充放电之后，过氧化锂还原而来的金属锂，就很难回到原本的样子了。最常见的是在表面结成类似树杈的带刺晶体，也就是我们常说的“锂枝晶”。
锂枝晶越堆越多，有可能接触正极，引发短路；持续膨胀的体积，也随时会影响电池包的安全性。
此外，金属锂的化学特性极其活泼。空气中的其他成分，有不少能跟金属锂发生化学反应。
比如金属锂与水反应，就会生成氢氧化锂（LiOH）；与二氧化碳发生反应，就会生成碳酸锂（Li₂CO₃）。
这些非设定之外的锂化合物，一旦生成，就再也无法恢复成有活性的金属锂了。
因此，锂空气电池想要正常运行，不但需要一套极其严苛的、符合车规级的空气过滤装置，还要用储氧罐将高纯度的氧气保存起来，以备不时之需。
但这些结构越复杂，对电池系统重量和体积的影响就越大，会削弱锂空气电池的能量密度优势。在车内的布局，也需要考虑到空间取舍、碰撞安全和耐久性。
况且，过滤材料本身用一段时间之后还会饱和失效，每隔一段时间就要换滤芯，使用便利性就会大打折扣。
所以，对于走在锂空气电池研发前沿的企业，必须先着手研发先进的空气过滤装置和稳定的高压储氧罐，同时还要对电池的密封、进出气道进行精密的设计。
说完了负极，再说说正极这边。
电池放电生成的过氧化锂，导电率仅为10⁻²⁰ S/cm，和塑料这种绝缘体十分接近。
而过氧化锂会在多孔碳表面生长，堵住氧气输入的孔道，阻止催化剂与氧气接触，最终导致电池阻抗大幅上升。
直观表现就是电池越用越难放电，“越用越喘不上气”。
等到再次充电时，嵌入到碳孔隙中的过氧化锂又无法从孔隙中跳出来，回到负极被还原成金属锂。过氧化锂残留物堆积，同样会成为“死锂”，造成不可逆的容量损失。
至于如何才能将“卡住”的过氧化锂从碳孔隙中抠出来，除了拆掉电池回炉重塑之外，目前还找不到太好的解决办法。
除了寿命以外，充放电效率也是锂空气电池落地之前的一座大山。
传统锂电池充放电，依靠锂离子在正负极之间的转移，兆瓦级的充电不是难事。
但锂空气电池充放电属于典型的氧化还原反应，靠的是氧与金属的化学键断裂/形成后的电子转移。
这一过程中，需要完成“成核→生长→电化学分解”的状态变化，过程非常崎岖复杂。
这使得锂空气电池的反应速率，要比传统锂电池慢好几个数量级。
放在新能源车上，就是充电慢、加速也慢。
所以，如何研发合适的催化剂，将锂空气电池反应速率提上去，就是电池行业接下来研究的另一个重点课题。
环境适应度方面，锂空气电池除了受湿度影响较大，温度对的影响同样不可忽视。
根据物理学中的分子热运动理论，分子的扩散速度和温度呈正相关。
锂空气电池放电是否顺利，很大程度上取决于氧气渗透进碳孔隙的速度。温度一旦低于-20℃，氧气扩散活性就会大幅降低，放电能力会直接下降到4成不到。
在40℃以上的高温工况，虽然氧气扩散速度大幅增加，但与水、二氧化碳等负反应参与物的扩散速度也会同步增加。高温，反而会让电池寿命的衰减速度进一步加快。
正因如此，锂空气电池需要配套强力的热管理系统。
至于很多人会关心的安全性……
遭遇严重的碰撞事故、或锂枝晶生长引发短路后，锂金属与空气中的水反应会生成氢气，同时释放大量热量。
氧气与氢气混合，电池内部压力急剧增加。一旦无法及时泄压，很容易让电池爆燃。
总结下来，锂空气电池虽然拥有能量密度高、原材料成本低廉、便于回收再利用等诸多优点，但对工作环境、工作温度等外部因素，都提出了极高的要求。
同时循环寿命和充放电效率低等缺点，以及后续工程化量产落地等一系列问题，都需要花相当长的时间去解决。
至于从实验室到量产装车究竟要多久，宁德时代目前给出的初步判断是——
十年甚至更久。
03. 写在最后
从实验室到量产，钠离子电池用了将近10年；全固态电池，更是在“临门一脚”前摩擦了不知多少个日日夜夜。
锂空气电池虽然结构上大道至简，但实际技术复杂程度已经远超现阶段所有电池。
至少10年之内，动力电池依旧会是传统锂电池的天下。
那么，锂空气电池存在的意义究竟是什么呢？
社长认为，它并不是为了在未来某一天取代谁，引发一场轰轰烈烈的大变革。
而是告诉整个行业，电池技术的天花板，远比我们想象中要高得多。
又一座高峰已然出现，它会像风向标一样，指引勇敢的人向上攀登。
