更长续航始于一道棘手的化学难题
宁德时代正在探索锂空气电池。这种电池的理论比能量约为每千克3,505瓦时，这一数据支撑了电动汽车单次充电可行驶2,000公里的预测。首席科学家吴凯在2026年北京举办的装备强国论坛上将这项技术列为未来研究方向。目前的首要任务，是让相关化学反应具备可充电性、耐久性，并达到车辆应用所需的实用水平。
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中国电池制造商宁德时代（CATL）尚未宣布能达到这一续航里程的量产车型，也未公布锂空气电池的商业化推出日期。2,000公里这一数据是基于该化学体系按重量可储存大量能量的潜力所作的预测。
吴凯的研究路线图显示，这项技术属于公司十年以上的长期研究工作。据对其发言的报道，宁德时代实验室项目已实现超过1,000 Wh/kg的比能量，并达到500次充放电循环。要将实验室进展转化为完整电池，还需要相应设备来控制进气、保护活性材料，并确保电池在反复使用中性能稳定。
中国和美国的研究有助于说明这项技术为何引人关注，又为何如此棘手。科学家已在一些设计中实现数百次循环，在另一种设计中则达到至少1,000次。他们也在研究固态反应产物为何会堵塞电极，以及氧气为何难以抵达产生电力的区域。
电池如何利用空气中的氧气
传统锂离子电池通过在两极之间移动锂离子来工作，两极材料能够容纳这些离子。锂空气电池则在负极使用金属锂，并在正极使用氧气作为反应物。电极是电池中发生发电或储电反应的部分。
在一种常见的锂空气电池设计中，放电时锂与氧气反应，在多孔正极内形成过氧化锂。电子经外部电路流动，从而供电。充电时则要逆转这一过程，分解过氧化锂、释放氧气并恢复金属锂。
从电池外部引入氧气，意味着无需像传统正极那样从一开始就携带含有全部反应物的材料，因此锂空气化学体系具有异常高的理论比能量。代价是，吸入空气的电池还必须处理气体和水分，而密封式传统电池会将它们隔绝在外。
研究人员正在探索这种化学体系的多个版本。有些使用液态电解质，即在电极之间传导离子的材料；另一些则使用凝胶或固态电解质。不同设计的反应产物和工作条件可能各不相同，因此比较性能时必须考虑这些差异。
为何3,505和12,000 Wh/kg两个数字都会出现
常见的3,505 Wh/kg数据源自过氧化锂反应的理论值，其中计入了氧气反应物的质量。接近12,000 Wh/kg的数字则在质量计算中不计氧气，因此采用了不同的计算口径。
完整电池还包含电解质、电极结构、隔膜、防护部件和空气控制设备。车用电池还需要连接件、外壳和温控系统。每个部件都会增加重量或占用空间，从而降低成品系统的单位质量储能量。
作为参照，相关研究报道通常将传统锂离子电芯的比能量列为约200至300 Wh/kg，部分先进设计约为350 Wh/kg。3,505除以350约等于10。实际挑战在于，配齐所有必要硬件后，能否保留足够的化学性能优势。
锂空气电池比固态电池比能量高出五倍的说法，是以约3,500 Wh/kg对比固态电池700 Wh/kg的理论值所得。对驾驶者有参考意义的比较，则需要在可用容量、功率和耐久性等条件相近的情况下，对完整电池进行测量。
实验室结果实际测量了什么
吉林大学和中国科学院的研究人员在2024年发表于《先进能源材料》的一项研究中报告称，一款锂空气软包电芯的比能量达到757.5 Wh/kg。该设计在电芯内使用形成凝胶的聚合物电解质。他们还在每克500毫安的电流条件、每克1,000毫安时的容量上限下，完成了241次实验室循环。
这些工作条件很重要，因为一次循环可能只使用电芯部分潜在容量。如果同时了解电芯的放电深度、工作速度和容量保持率，循环次数才更有参考价值。
伊利诺伊理工学院和阿贡国家实验室的研究人员在2023年发表于《科学》杂志的论文中介绍了另一种方案。他们的固态锂空气电池设计在室温下完成了至少1,000次循环。该设计形成的是氧化锂，而非较常见设计中的过氧化锂。
部分报道将阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的成果列为2025年，并将1,200 Wh/kg描述为已实现的原型性能。2023年发表于《科学》的研究则将这一数字描述为理论潜力，其展示的实际成果是该实验架构的循环性能。
因此，宁德时代据称取得的实验室数据、软包电芯成果和美国的固态电池实验回答的是不同问题。它们共同显示，研究人员正一边探索更轻的储能方式，一边攻克电池反复充电后仍能正常工作的难题。
研究历程可追溯至2009年
汽车行业对锂空气电池的兴趣，远早于宁德时代最近的表态。相关研究历程涵盖雄心勃勃的车辆目标、固态电解质实验，以及对电极内部反应的深入研究。
- 2009年：IBM启动Battery 500项目，目标是研发单次充电可行驶500英里、约805公里的电动汽车电池。
- 2023年：伊利诺伊理工学院和阿贡国家实验室的研究人员在《科学》杂志发表固态锂空气电池研究，报告称该电池在室温下完成了至少1,000次循环。
- 2024年：《先进能源材料》发表研究，报告称一款锂空气软包电芯达到757.5 Wh/kg，并在特定实验室条件下完成241次循环。
- 2025年：中国科学技术大学的研究人员研究了厚电极中的氧气传输和反应路径。
- 2026年：吴凯在装备强国论坛上将锂空气电池列为宁德时代的长期研究方向。
IBM的项目并未带来可供市场购买的车用电池。此后的研究主要聚焦于该化学体系的具体障碍，包括电解质稳定性、氧气输送和固态反应产物的形成。
空气供应成为电池系统的一部分
外界空气除了氧气，还含有水蒸气和二氧化碳。水分会与金属锂发生反应，二氧化碳则可能生成碳酸锂。非预期反应会消耗有用材料，并留下降低性能的沉积物。
因此，实用的锂空气系统需要控制进气、过滤空气并管理湿度。根据设计不同，还可能需要泵、风扇或其他设备来推动气体流经电池。这些部件会占用空间，也会消耗电池产生的部分电力。
《能源储存杂志》2023年发表的一项研究估算，在其提出的车辆配置中，辅助设备将消耗电池功率的5.4%。如果电池输出100单位功率，就有5.4单位用于辅助系统。这一估算适用于该项设计，其他方案的需求会有所不同。
在正极内部，过氧化锂可能逐渐填满供氧气流通的孔隙。这个过程就像多孔海绵被固体物质填满：开放空间越少，氧气可通过的路径就越少，容纳后续反应产物的空间也越小。
中国科学技术大学彭坦教授及其同事研究了氧气传输如何影响厚电极内部的反应。他们2025年的研究考察了不同位置的物质传输阻力如何改变反应路径。相关报道还介绍了另一项研究，探讨通过调整锂离子浓度改变过氧化锂的形成位置，从而提升放电容量。
反复充电必须不断恢复化学反应
充电时，电池需要从正极移除放电产物，并重建负极上的锂。副反应可能损害电解质和其他部件，逐渐降低电芯的储能能力。
金属锂还带来另一项难题。充电过程中反复沉积的锂可能形成不均匀结构，包括被称为枝晶的针状生长物。如果枝晶穿透两极之间的隔膜，就可能引发短路。研究人员必须控制这一过程，同时维持实用的充电速度和容量。
能量效率也会影响日常使用。往返效率指输入电池的电量中，之后能够回收利用的比例。据称，一些锂空气电池设计的效率低于70%，而锂离子电池则高于95%。这些数字会因设计和条件而异，但说明提高单位质量储能量只是工程任务的一部分。
效率为70%时，回收70单位电能需要输入100单位电能。充放电过程中的能量损失可能转化为热量，增加冷却需求和耗电量。因此，提高反应可逆性有助于同时改善耐久性、充电成本和温控表现。
行驶2,000公里的汽车需要什么
车辆续航取决于电池可用能量，以及每公里的耗电量。电池重量固然重要，车辆尺寸、速度、空气动力学、温度，以及冷却、加热和空气管理所消耗的功率同样会产生影响。
比能量描述单位质量的储能量；体积能量密度描述单位空间内的储能量；功率则表示电池供电的速度。乘用车需要这三方面都满足要求，才能容纳电池包、实现实用续航，并提供加速或持续行驶所需的动力。
锂空气电芯或许能减轻重量，但气体通道和处理设备会额外占用空间。工程师还必须确保在用电需求上升时氧气仍能持续流通。因此，在消费者将续航预测与现有车型比较之前，相关预测需要明确具体车型、完整电池设计和驾驶测试条件。
换电会改变电池包的充电、维护方式以及在车辆之间的流转方式。但要恢复因电解质分解或不可逆沉积而损失的容量，仍需解决底层化学问题。可更换电池包组成的车队也同样面临这些耐久性成本。
宁德时代如何定位这项技术
宁德时代近期的重点是钠离子电池和全固态电池。据对吴凯2026年发言的报道，公司计划在2026年实现钠离子电池大规模生产，并可能于2027年小批量生产固态电池；锂空气电池研究则被列为十年以上的长期方向。
固态和锂空气描述的是电池的不同方面。固态指电解质的形态；锂空气指涉及锂和氧气的反应。两者可以结合，阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的实验便采用了含有聚合物及锂基纳米颗粒的复合固态电解质。
重型车辆以及用于储存太阳能和风能的系统，也被列为潜在应用。不同用途对重量、空间、效率、成本和使用寿命的要求各不相同。专门场景下的小规模应用或许会早于乘用车大规模普及，但所谓五至十年的时间表仍属于预测。
对驾驶者而言，眼下的实际进展是，一家大型电池制造商正将长期研究投向一种有望大幅减轻储能系统重量的化学体系。目前的研究重点，是让氧气输送、充电效率和材料稳定性在完整系统中协同运作。
要点
- 宁德时代首席科学家吴凯在2026年北京举办的一场论坛上，将锂空气电池列为长期研究方向。
- 电动汽车行驶2,000公里的预测来自储能潜力，而非量产车型测试。
- 3,505和接近12,000 Wh/kg这两个理论数据采用了不同的氧气质量计算口径。
- 实验室研究通过不同设计和测试条件，在比能量和循环性能方面取得了进展。
- 空气过滤、电极沉积、锂稳定性和能量损失仍是主要工程挑战。
- 宁德时代尚未公布锂空气车用电池的商业化推出日期。
