空氣鋰離子電池的工作原理

作者饒江宇

　　我將以Nature Materials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–O2 and Li–S batteries with high energy storage》如果有興趣可以去看看這篇文章，寫得很不錯(cuò)。

　　至于你說(shuō)生產(chǎn)什么的，這還只是一個(gè)概念，這些東西還只是可能實(shí)現(xiàn)，就在這里不論了。

　　一、概述

　　鋰空氣電池，更準(zhǔn)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(yáng)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(wú)水電解質(zhì)反應(yīng)如下圖（包括各類鋰電池放點(diǎn)圖示）

　　

　　以及比容量圖示（鋰氧、鋰硫、鋰離子電池、鋅空電池對(duì)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?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于LiCoO2。

　　下圖是描述用各種電池驅(qū)動(dòng)汽車的行進(jìn)的里程，藍(lán)色代表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，褐色代表正在進(jìn)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(shí)需要花費(fèi)的錢。

　　

　　這里面鋰電池160km的數(shù)值是有由Nissan Leaf給出的，而鋰氧的550km是根據(jù)Sion Power關(guān)于鋰硫電池的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來(lái)的。

　　二、化學(xué)反應(yīng)

　　對(duì)于含水電解液和不含水電解液，放電時(shí)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(shí)則相反。在正極，氧氣進(jìn)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(hào)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(jìn)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(jìn)行，后面還會(huì)說(shuō)到]

　　下面對(duì)無(wú)水電解質(zhì)和含水電解質(zhì)分開(kāi)來(lái)說(shuō)

　　1、無(wú)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

　?。?）在充放電過(guò)程中，具有較高的穩(wěn)定性。

　?。?）具有高的氧氣溶解性和氧氣擴(kuò)散系數(shù)（較低

　　的粘度）；

　?。?）具有低的吸水性和揮發(fā)性；

　?。?）具有高的離子傳導(dǎo)性；

　?。?）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L(zhǎng)iPF6 in ECDEC=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(fù)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(kuò)散至反應(yīng)界面，從而阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，使實(shí)際獲得的比容量低于其理論值，同時(shí)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(wú)水型電解質(zhì)但實(shí)際實(shí)驗(yàn)暫高。

　　電解液目前試驗(yàn)常見(jiàn)的電解液為 LiOH 和 CH3COOH 溶液。

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