鋰-空氣電池的時代會到來嗎？

隨著社會科技的發(fā)展，人們的衣食住行都離不開能源的支撐。從小物件如手機(jī)和筆記本電腦，到交通工具等，都已成為人們生活中不可或缺的一部分。原油等傳統(tǒng)能源雖然有著高效的能量輸出能力，但其對環(huán)境的不友好（如大量二氧化碳排放）等一系列缺點(diǎn)已經(jīng)成為當(dāng)今社會不能忽視的問題。而新型能源如太陽能，風(fēng)能等，雖然有著巨大的潛能，但由于其使用對當(dāng)時環(huán)境的依賴性較強(qiáng)，因此要勝任一些需要持續(xù)功能的電子設(shè)備（如汽車等）依然存在挑戰(zhàn)。因而實(shí)現(xiàn)這些的一個支撐力量就要依托于電子儲能設(shè)備的改進(jìn)了，也就是應(yīng)用于不同領(lǐng)域，有著不同體型的電池了。

圖1鋰電池工作原理的示意圖。

就此近些年來科學(xué)家對電池進(jìn)行了大量的研究，例如堿性電池（比如Fe/Ni電池和Zn/Mn電池）、傳統(tǒng)的鉛酸電池、鋰硫電池，以及倍受關(guān)注的鋰離子電池。相比其它電池，鋰離子電池之所以能受到人們的青睞，是因?yàn)槠渚哂斜饶芰看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電低，無記憶和綠色環(huán)保等等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)和筆記本電腦等，也是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。

鋰離子電池采用一種類似搖椅式的工作原理，充放電過程中 Li+ 在正負(fù)極之間來回穿梭，從一邊搖到另一邊，往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。由于各種電化學(xué)儲能于材料體系與設(shè)計(jì)不同，技術(shù)指標(biāo)亦有所差異。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的Li-EAD計(jì)劃中設(shè)定了至2030年蓄電池達(dá)到700Wh/kg的高性能指標(biāo)。目前，鋰離子電池還不能達(dá)到的該目標(biāo)，而鋰-空氣電池的理論計(jì)算能量密度可以達(dá)到12000Wh/Kg，超過了NEDO提出的指標(biāo)。在我們詳細(xì)闡述鋰空氣電池之前，我們先簡要介紹一下鋰離子電池。

鋰離子電池的原理

鋰離子電池由三部分部分組成正極（通常是層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰及鈷鎳錳鋰化合物、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰、橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰），負(fù)極（通常為石墨層）和電解液；其中氧化還原反應(yīng)發(fā)生于正負(fù)極，電解液作為傳送離子遷移的介質(zhì)。具體來講，在放電過程中，鋰離子在內(nèi)部電場作用下通過電解液跑路到正極，同時在負(fù)極跑掉的電子則通過外電路流向正極（具體反應(yīng)是intercalation, 感興趣的同學(xué)可以google[3]）。在電子從負(fù)極到正極的過程中的遷移會做功，這個功也就是用來支撐電子設(shè)備工作的能量了。顧名思義，充電的過程就是放電過程的逆過程。

鋰離子電池的主要限制

影響鋰離子的因素有很多，比如溫度、快速充放電、材料的理論容量和能量密度。其中能量密度和理論容量是限制鋰離子電池的兩個主要方面。這里我們先來說一個重要的概念——能量密度（Energy Density）。能量密度，也稱比能量，書面解釋是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小，通俗點(diǎn)說就是指單位體積或單位質(zhì)量所包含的能量。在電池行業(yè)，它通常用來比較單位重量的電池所儲存的電量。比如現(xiàn)有商用電池中能量密度比較高的鋰離子電池，其能量密度約500Wh/Kg，如前文所述，這樣的能量密度不足以替代汽油（能量密度約13 000Wh/Kg）用來實(shí)現(xiàn)汽車的純電動化。

沒有比較就沒有傷害，傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度（0.05-0.1 kwh/Kg），只有車用汽油的能量密度（13 kwh/Kg,雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)）的1%不到！相對于傳統(tǒng)能源如此低效的鋰離子電池為什么又這么受到人們的青睞和認(rèn)可呢？

這要從鋰離子電池的結(jié)構(gòu)講起。細(xì)心的讀者都注意到了，在圖1中，正極和負(fù)極的畫風(fēng)好像不太一樣。比如負(fù)極是一些框架而正極是一些片狀藍(lán)磚，不過這些不是重點(diǎn)，這只是作者想表示構(gòu)成正負(fù)極的材料不同。但它們的共同點(diǎn)是綠豆般的鋰離子都有序的排隊(duì)。這是因?yàn)樵阡囯x子通過電解液遷移到負(fù)極的過程中，會與一些早先到達(dá)的鋰離子匯合。如果沒有層狀結(jié)構(gòu)，這些先來后到的鋰離子就會形成晶體結(jié)構(gòu)，學(xué)術(shù)上叫做枝晶。這些晶體會迅速成長比并且聯(lián)通正負(fù)極，使整個電池從內(nèi)部短路。通俗的講就像大家都要去停車，在入口處互不相讓結(jié)果造成堵車大長隊(duì)。而正負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)則起到了能夠有序存放這些不同時間到來的鋰離子的功能，好比停車位。因此有著有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的正負(fù)極對于可充電電池是不可或缺的（圖2）。但正負(fù)極材料，以及電解液并不會在放點(diǎn)放電過程中給予能量。因此拖累了電池的整體能量密度。

圖2鋰電池的工作原理圖a. 鋰金屬電池；b. 鋰離子電池。層狀結(jié)構(gòu)可以有序的存儲鋰離子，防止枝晶的形成。

影響鋰離子電池的另外一個主要的因素是電極材料本身的容量，值得注意的是，正極是鋰離子電池的重要組成部分，其性能在很大程度上決定了電池的最終性能，許多鋰離子電池的重大技術(shù)進(jìn)步都與正極材料的技術(shù)提升密切相關(guān)。已知的能夠投入實(shí)際應(yīng)用的正極材料包括層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰及鈷鎳錳鋰化合物、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰、橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰。

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