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鋰空氣電池的革命：為何科學家們在2000年代後重燃興趣？
鋰空氣電池（Li-air）是一種金屬-空氣電化學電池，利用鋰在陽極的氧化反應和氧氣在陰極的還原反應產生電流。科學家們推測，將鋰與環境中的氧氣結合，理論上可以導致具備最高可能比能量（specific energy）的電化學電池。根據研究，理論上無水的鋰空氣電池在充能狀態下（以Li2O2作為產物，並排除氧氣質量）可達到約40.1 MJ/kg的比能量，與汽油的理論比能量約46.8 MJ/kg相比十分接近。
儘管目前的鋰空氣電池在性能上仍未達到理論水平，但其具備的潛在比能量是商業鋰離子電池的五倍左右，可實現大約500公里的續航距離，這使得科學界再次關注這項技術。
歷史上，鋰空氣電池的概念早在1970年代就已提出，最初為電動車和混合動力車的電源。但由於電池在技術上所面臨的挑戰，包括反充電時間、對氮和水的敏感性，以及電池內部導電性不佳等問題，這一概念在當時被認為風險與收益不成比例。因此，鋰空氣電池的研究進展緩慢，直到2000年代後期，由於材料科學方面的進展，這一領域才重新獲得關注。
設計與運行機制
鋰空氣電池的基本運作原理是鋰離子在電解質中在陽極與陰極之間移動。在電池放電過程中，電子通過外部電路進行電能轉換，而鋰離子則移動到陰極。充電時，鋰金屬在陽極上沉積，陰極釋放氧氣。
陰極與陽極的挑戰
在鋰空氣電池的設計中，陽極通常使用鋰金屬。鋰在陽極釋放電子，但這也使得陽極面臨多重挑戰，如與電解質反應、樹枝狀鋰沉積、以及電解質界面化學變化等問題。這些挑戰會導致能量容量的減少，或產生短路風險。
在陰極方面，氧氣的還原反應同樣面臨產物過度積累和催化劑效率低下的問題，這極大影響了鋰空氣電池的本質性能。
電解質的創新
為了解決上述技術挑戰，研究者們開始探索多種電解質設計，包括水性酸性、鹼性和無水電解質等。每種電解質方式都有其特定的優缺點，但都存在需要進一步改進的空間。
商業化及未來展望
雖然鋰空氣電池在實驗室裡的表現令人鼓舞，但在商業化的道路上仍需克服重重困難。例如，長期穩定性和循環壽命等問題需要得到解決。汽車工業對電池的需求，尤其是高能量密度電池的需求，仍然是推動鋰空氣電池發展的主要動力。
鑑於電力需求和環境問題的雙重壓力，科學家們的研究絕不會停止，未來是否能找到突破性的解決方案導致鋰空氣電池技術的商業化呢？
在未來，鋰空氣電池有潛力成為驅動電動車的主流選擇。這不僅因為其高能量密度可以顯著提升續航里程，更因為它們可能讓可再生能源的儲存變得更為高效。然而，當前技術的限制需要研究者們持續拼搏，探索更多創新路徑。是否會有一天，鋰空氣電池真正改變我們的電動出行方式呢？
