鋰空氣電池的原理,鋰空氣電池技術潛力無限

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，鋰空氣電池技術潛力無限。實際上，近幾年來電池工業的飛速擴張的主要動力來自于動力電池行業的需求，因此電池技術的發展、技術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，就是用金屬鋰做負極，氧氣做正極的一種鋰電池。其優點在于比能量高，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，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。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電解質體系。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+)，Li+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰(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生氧還原反應，形成氫氧化物。其放電反應方程為：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膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應：Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)。

　　在水系電解液中，金屬Li極易和水反應，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業化的產品。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用的首選。

　　鋰空氣電池技術潛力無限

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

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

　　鋰空電池技術一直是受到人們重視的熱點技術，其理論能量密度高得到了大家的一致期待，但是該技術的問題和挑戰也一直非常多。更有不少業內人士指出：“鋰空氣電池結合了燃料電池和鋰離子電池的缺點”、“反應副反應太多”等一系列問題。在這里，筆者也想基于此文進展和工業界對于電池技術的期望，簡單展望一下鋰空電池技術的前景。

　　鋰空氣電池技術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；如何循環未用完的鋰和氫氧化鋰；如何降低循環氫氧化鋰的能耗。

　　總體而言，鋰空氣電池反應產物中，存在大比例不可逆成分，這是各種技術路線都無法規避的問題，必須正面解決。鋰空氣電池未來或顛覆電池領域，工業實用化路還很長。