鋰空氣電池的原理,鋰空氣電池技術(shù)潛力無限

來源：存能電氣  日期：2019-07-25 16:48  瀏覽量：次

　　鋰空氣電池的原理，鋰空氣電池技術(shù)潛力無限。實際上，近幾年來電池工業(yè)的飛速擴張的主要動力來自于動力電池行業(yè)的需求，因此電池技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)的實用化過程中常常最需要考慮的就是動力電池的需要，而在此時，鋰空氣電池即使在低倍率下都極大的極化必然會導(dǎo)致非常不理想的能量效率與倍率性能，這也是其在動力電池領(lǐng)域中的實用化要克服的重要障礙。下面介紹鋰空氣電池的原理及其技術(shù)潛力。

　　什么是鋰空氣電池

　　鋰空氣電池，通俗而言就是金屬燃料電池，就是用金屬鋰做負(fù)極，氧氣做正極的一種鋰電池。其優(yōu)點在于比能量高，理論上接近汽油。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。而鋰空氣電池的缺點是反應(yīng)可逆性差，需要催化劑。

　　鋰空氣電池的原理

　　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，因為其陰極很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池采用鋰作為負(fù)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。

　　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。

　　鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，形成氫氧化物。其放電反應(yīng)方程為：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(hù)膜而阻礙電化學(xué)反應(yīng)的快速進(jìn)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。

　　鋰空氣電池技術(shù)潛力無限

　　鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng)，理論能量密度上限達(dá)到11000Wh/kg，遠(yuǎn)超過池目前200+Wh/kg的實際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認(rèn)為是一項電池領(lǐng)域中未來的顛覆技術(shù)。然而鋰空電池方面的研究在業(yè)內(nèi)也一直存在著不少質(zhì)疑之聲，不少人認(rèn)為鋰空電池定義不明(應(yīng)叫鋰氧)、反應(yīng)機理復(fù)雜、極化大效率低、循環(huán)壽命不佳，并不是未來(動力電池需求為重要行業(yè)推動力的)電池工業(yè)的靠譜發(fā)展方向。當(dāng)然在此過程中，研究人員不斷努力開展工作，產(chǎn)生了許多成果，對該方向前景的討論也在不斷深入。

　　最近美國科學(xué)家等在鋰空電池的研究方面達(dá)成了突破，在《NATURE》上發(fā)文，成功制成了可在類空氣氣氛中循環(huán)超700次的電池，很好的解決了之前很多體系只能與純氧反應(yīng)、循環(huán)壽命很差(常常只有幾十次)的問題，在該領(lǐng)域的科學(xué)研究層面取得了重大進(jìn)展。在此，筆者將簡單介紹該文的研究進(jìn)展內(nèi)容，并簡要展望鋰空電池技術(shù)未來的工業(yè)化實用前景。

　　鋰空電池技術(shù)一直是受到人們重視的熱點技術(shù)，其理論能量密度高得到了大家的一致期待，但是該技術(shù)的問題和挑戰(zhàn)也一直非常多。更有不少業(yè)內(nèi)人士指出：“鋰空氣電池結(jié)合了燃料電池和鋰離子電池的缺點”、“反應(yīng)副反應(yīng)太多”等一系列問題。在這里，筆者也想基于此文進(jìn)展和工業(yè)界對于電池技術(shù)的期望，簡單展望一下鋰空電池技術(shù)的前景。

　　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。

　　總體而言，鋰空氣電池反應(yīng)產(chǎn)物中，存在大比例不可逆成分，這是各種技術(shù)路線都無法規(guī)避的問題，必須正面解決。鋰空氣電池未來或顛覆電池領(lǐng)域，工業(yè)實用化路還很長。