鉅大LARGE | 點擊量：3508次 | 2018年07月13日
鋰空氣電池的工作原理及發(fā)展前景
鋰空氣電池，更準確的稱呼應(yīng)該是鋰氧電池（Li-O2），它是一種基于金屬與空氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換電能的電池。在這種電化學(xué)型的電池由誘導(dǎo)的氧化鋰的陽極和氧氣陰極組成。
我將以NatureMaterials上綜述文章為主體，加上我自己的一些理解為您解答。原文《Li–O2andLi–Sbatterieswithhighenergystorage》如果有興趣可以去看看這篇文章，寫得很不錯。
至于你說生產(chǎn)什么的，這還只是一個概念，這些東西還只是可能實現(xiàn)，就在這里不論了。
一、概述
鋰空氣電池，更準確的稱呼應(yīng)該是鋰氧電池（Li-O2），它是一種基于金屬與空氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換電能的電池。在這種電化學(xué)型的電池由誘導(dǎo)的氧化鋰的陽極和氧氣陰極組成。電極反應(yīng)總式分為含水電解質(zhì)反應(yīng)和無水電解質(zhì)反應(yīng)如下圖（包括各類鋰電池放點圖示）：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
以及比容量圖示（鋰氧、鋰硫、鋰離子電池、鋅空電池對比）：
很明顯，鋰氧和鋰硫電池的比容量明顯高于鋰電池這是由于用于鋰氧電池的Li2O2和LiOH在鋰電池的質(zhì)量分數(shù)遠大于LiCoO2。
下圖是描述用各種電池驅(qū)動汽車的行進的里程，藍色代表已經(jīng)實現(xiàn)，褐色代表正在進行生產(chǎn)研究中，紅色代表(R&D=research&development）科學(xué)研究中。下面的橫條表示的是各種電池每千瓦時需要花費的錢。
這里面鋰電池160km的數(shù)值是有由NissanLeaf給出的，而鋰氧的550km是根據(jù)SionPower關(guān)于鋰硫電池的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來的。
二、化學(xué)反應(yīng)
對于含水電解液和不含水電解液，放電時反應(yīng)都一樣，Li→Li+，正極的金屬鋰氧化釋放鋰離子至電解液，充電時則相反。在正極，氧氣進入陰極的多孔材料，融入孔洞的電解液中并和表面接觸發(fā)生還原反應(yīng)。在這里就要區(qū)分含水電解液和不含水電解液了，在不含水電解液中O2形成O2（2-）[小括號表示得到電子]，并和Li+形成Li2O2（最終產(chǎn)物），在含水電解液中Li2O2進一步反應(yīng)生成LiOH。[也有些作者稱可以得到Li2O，這可以提高容量，但這不利于充電反應(yīng)進行，后面還會說到]
下面對無水電解質(zhì)和含水電解質(zhì)分開來說：
1、無水電解質(zhì)
隔膜需要滿足條件：隔絕空氣中的CO2和H2O防止其反應(yīng)生成LiOH和LiCO3使反應(yīng)不可逆。
電解液（現(xiàn)在研究的比較多）非水性鋰空氣電池的電解液主要作為傳導(dǎo)離子、傳輸氧氣的載體，其性能需要滿足如下基本條件：
（1）在充放電過程中，具有較高的穩(wěn)定性。
（2）具有高的氧氣溶解性和氧氣擴散系數(shù)（較低
的粘度）；
（3）具有低的吸水性和揮發(fā)性；
（4）具有高的離子傳導(dǎo)性；
（5）具有合適的接觸角（電解液與碳表面）。
參考鋰離子電池電解液（一般研究還是主要為LiPF6inEC：DEC=1:1），其余的諸如GC(glass-ceramic)材料與PC(polymer-ceramic)材料制成的層狀織膜固體聚合物電解質(zhì)，LiTFSI-PMMITFSI–silica–PVdF-HFP等等有興趣可以google學(xué)術(shù)下。
2、含水電解質(zhì)
雖然非水性電解液解決了水與負極鋰副反應(yīng)的產(chǎn)生，然而其反應(yīng)產(chǎn)物Li2O2不溶于電解液，逐步堵塞正極的孔隙，減少反應(yīng)界面面積，阻礙反應(yīng)物擴散至反應(yīng)界面，從而阻止反應(yīng)的進一步進行，使實際獲得的比容量低于其理論值，同時還導(dǎo)致鋰空電池循環(huán)性能較差等不良結(jié)果。一些科學(xué)家提出含水電解液。它的理論密度低于無水型電解質(zhì)但實際實驗暫高。
電解液：目前試驗常見的電解液為LiOH和CH3COOH溶液。
兩者共同：
正極主要由多孔碳材料、催化劑和粘結(jié)劑組成?？偟膩碚f，其正極應(yīng)滿足以下基本條件：
(1)碳材料具有足夠高的活性表面區(qū)域
(2)碳材料具有合適的孔隙尺寸和足夠高的孔隙率；
(3)催化劑對于氧氣還原具有較好的催化活性；
(4)粘結(jié)劑具有較好的特性。
負極材料研究：負極鋰保護膜的研究。防止其與O2和CO2反應(yīng)生成副產(chǎn)物，對于有水體系可能更需要注意，正極側(cè)水性電解液中的水分對于負極鋰來說威脅較大，不過要是以后用于研究，這個也是必須要面臨的問題。
催化劑研究見下圖：
圖中是首次恒流充電的比容量和電壓關(guān)系圖?？梢悦黠@的看到各種催化劑的效果。
可應(yīng)用領(lǐng)域
電池怎么用他怎么用。
未來發(fā)展前景
鋰空氣電池技術(shù)需要解決的問題主要有：防止使用兩種電解液的隔膜慢性滲漏；提高有機電解液的可使用溫度；找到可取代目前使用的金和白金觸媒劑；更換鋰燃料時，如何防止水氣侵入引起爆炸；如何循環(huán)未用完的鋰和氫氧化鋰；如何降低循環(huán)氫氧化鋰的能耗。
對于他的發(fā)展我個人持保留意見，覺得研究的噱頭大于實際?，F(xiàn)在研究這個的很多組，大部分是從燃料電池轉(zhuǎn)行去的，把燃料電池的一些東西放上去，直接往一次電池上面做，然后鋰枝晶的問題怎么解決，更別提往二次上面去做了，主要是為了那科研經(jīng)費吧。往生產(chǎn)實際上說，其實很多組還雜用Pt作為催化劑，電解液的揮發(fā)與污染還沒有很好的解決，現(xiàn)在大部分還在做基礎(chǔ)研究，要應(yīng)用和生產(chǎn)可能是十幾年或者幾十年的東西，遠沒有鋰離子電池的各項研究實際
當然也有國外的很多企業(yè)和研究者在做這個事。藍色巨人計劃利用納米隔膜開發(fā)水純凈系統(tǒng)，以便將空氣中的氧氣與水等物質(zhì)隔離開來。IBM的納米結(jié)構(gòu)經(jīng)驗還可以讓它將電池中的氧分配到每個電池單元中去，由此防止堵塞。超級計算機則可以進行建模方面的研究，使單個原子能夠通過電池中納米隔膜。
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