鋰空氣電池未來會取代鋰電池嗎

來源：存能電氣  日期：2019-05-28 10:49  瀏覽量：次

　　鋰空氣電池未來會取代鋰電池嗎？鋰空氣電池能量密度高、重量輕、綠色無污染。鋰空氣電池擊敗鋰離子電池的潛力極大，然而，想要在成本和使用壽命上比肩傳統(tǒng)的鋰離子電池、達到“穩(wěn)定生產(chǎn)期”，都必須解決循環(huán)壽命、能量效率、空氣過濾膜、金屬鋰防護等關(guān)鍵問題，這顯然還有很長的路要走。

　　什么是鋰空氣電池？

　　鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。其實，鋰空氣電池就是金屬燃料電池，通俗地來說就是用金屬鋰做負極，氧氣做正極的一種鋰電池。鋰空氣電池的優(yōu)點在于比能量高（比能量，簡單地理解就是單位質(zhì)量的電極材料參與反應(yīng)時放出電能的大?。?，理論上接近了汽油。

　　雖然鋰空氣電池比能量高，但是它的缺點就是反應(yīng)可逆性差，需要催化劑。這里所說的2D材料也叫做“二維材料”。用它們做催化劑的時候，能夠提高電池內(nèi)部的化學反應(yīng)速率，使鋰空氣電池的效率更高、充電能力更強，電池保存能量的能力和提供能量的能力被大大提升了。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

　　鋰空氣電池工作原理

　　鋰空氣電池采用鋰作為負極活性材料，采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料，按電解質(zhì)體系主要分為有機電解液體（非水性電解液體系）、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態(tài)電解質(zhì)體系。

　　4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

　　放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護膜而阻礙電化學反應(yīng)的快速進行。在開路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應(yīng)：

　　Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

　　在水系電解液中，金屬Li極易和水反應(yīng)，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。綜合考慮實用性和安全性，水系鋰空氣電池并非最終實際應(yīng)用的首選。

　　鋰空氣電池未來會取代鋰電池嗎？

　　有人說：如果說鋰硫電池是替代鋰離子電池的下一代鋰電，那么鋰空氣電池將是鋰電的最終形態(tài)。從鋰電誕生到應(yīng)用才短短的幾十年，然而電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸替代化石能源，成為人們生活中不可或缺的一部分。目前，鋰離子電池備受人們的青睞，而鋰空氣電池被業(yè)界譽為終極電池。

　　隨著全球電動汽車市場需求的日益增長，鋰電池的發(fā)展受到了嚴重的阻礙，其發(fā)展瓶頸主要在于：如何提升正極材料的充放電比容量，以滿足高比能量、高充放電功率的要求；制備正極材料需要大批量地使用稀有過渡金屬元素，如鈷、鎳等，而這些資源在地球上的儲量有限，成本也不低。

　　為了解決這些問題，進一步提高電池的能量密度，減輕電池重量，并減少重金屬的使用，鋰空氣電池誕生了。

　　鋰空氣電池雖然目前還在研發(fā)實驗階段，但是這類電池的儲能量卻是當前鋰離子電池的10倍。由于它的質(zhì)量更輕，也能夠使得電動車的輕量化有質(zhì)的提升。

　　報道稱，隨著鋰電池的出現(xiàn)，便攜設(shè)備迅速普及，支持了IT革命的發(fā)展。鋰電池性能不斷提高，是支持汽車電動化的重要部件。但是，鋰電池技術(shù)逐漸接近極限，而且還有易燃等缺點。鋰空氣電池是新一代技術(shù)的有力候選之一，可通過與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)來進行發(fā)電。由于氧氣可以無限量供應(yīng)，理論上空氣電池蓄電量可達鋰電池的5至10倍。

　　人們對電池越來越依賴，受到需求的推動，企業(yè)投入大量的時間和金錢開發(fā)鋰電池替代產(chǎn)品。由于其理論比能量高，鋰空氣電池被認為是鋰離子電池的潛在替代品。然而，迄今為止，這樣的系統(tǒng)主要限于純氧環(huán)境，并且由于涉及陰極、陽極和電解質(zhì)的副反應(yīng)而具有有限的循環(huán)壽命。