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锂空气电池工作原理究竟是什么_锂空电池的优缺



  锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度,因为其阴极(以多孔碳为主)很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。

  放电过程:阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(Li+),Li+穿过电解质材料,在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2),并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91V。

  锂空气电池采用锂作为负极活性材料,采用多孔的气体扩散层电极作为正极材料,按电解质体系主要分为有机电解液体(非水性电解液体系)、水性电解液体系、混合电解液体系和全固态电解质体系。

  锂空气电池的概念最早由Lockheed提出,电解液为碱性水溶液。氧气在空气电极上发生氧还原反应,形成氢氧化物。其放电反应方程为:

  放电过程中Li、H2O和O2被消耗,在Li表面生成了一层保护膜而阻碍电化学反应的快速进行。在开路或低功率的状态下,Li的自放电率很高,并伴随着Li的腐蚀反应:

  在水系电解液中,金属Li极易和水反应,因此对锂离子隔膜的阻水性有很高要求,目前还没有商业化的产品。综合考虑实用性和安全性,水系锂空气电池并非最终实际应用的首选。

  非水电解液体系的锂空气电池使用了含有可溶性锂盐的有机电解液,工作原理是基于Li2O2的生成与分解:

  根据1-3式计算,锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg,在实际应用中,由于氧气来自外界环境,排除氧气后的能量密度高达11430Wh/kg。

  目前对于全固态锂空气电池报道较少,其具有稳定性好、循环性能好、避免形成锂枝等优点,但其低导电性,容量和能量密度限制了其发展。

  每一种电池体系都有其各自的优点,同时也都面临着反应机理和工艺设计的难题。目前对于锂空气电池的研究大多数是采用有机电解液体系。

  空气电池这是一种由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。

  理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物,阻隔了电解液与空气的接触,导致停止放电等问题。

  负极(金属锂)采用有机电解液,正极(空气)方面则使用水性电解液,两极由固体电解质隔开,以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子,因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性,不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。

  该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液,用卡盒等方式补充负极的金属锂的话,汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂,锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。

  锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用,为了实现长距离行驶,作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶,要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池,因此存在车体价格大幅上升的问题。

  要实现电动汽车的普及,能源密度需达到目前的约6~7倍。因此,理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质,理论上正极容量无限大,因此可实现大容量。

  锂空气电池的理论比能量为11430Wh/kg(排除O2重量),与汽油的比能量相近。因而,锂空气电池系统实际比能量预计能够达到1700Wh/kg。近十年,特别是最近几年,锂空气电池正在被广泛的研究,也报道了许多重要的实验结果,但最高的电池实际能量密度仅比锂离子电池高一些。因而提高电池的能量密度和倍率性能来实际应用于未来领域还需要更多的突破性进展。

  与其他电池相比,锂空气电池有比能量高、成本低廉、可充放性、环境友好等。但是,对于有机体系,在空气电极、电解液、催化剂等方面已经有了一定认识,但还存在着一些重要的问题,如放电性能、能量效率、催化剂、空气电极设计、都是锂空气电池体系的关键科学问题。这些这些问题的解决将会推动锂空气电池走向实际的应用。

  池的续航能力能够加强,才会真正步入电动汽车的时代。不过,貌似这一幕离我们已经不再遥远:剑桥大学的团队已经解决了这一技术存在的某些实际问题,其在电动化学领域的一项突破可能将大幅提高电池容量。

  剑桥大学的化学教授克莱尔˙格雷和她的团队认为,攻克了锂空气电池开发中的技术难关。6up!理论上说,只有这种电池能让电动汽车在不必携带巨大而笨重的电池组的情况下,拥有可媲美汽油车及柴油车的续航里程。锂空气电池能量密度比目前的可充电电池中盛行的锂离子技术要高10倍。意味着同样体积的电池,锂空气电池的储电量是其他锂电池的10倍。研究人员表示,剑桥实验室中展示的电池系统效率达90%,可充电2000次。

  剑桥大学这种锂空气电池的化学原理其实十分简单。它通过锂和氧结合成过氧化锂实现放电,然后再通过施加电流逆转这一过程而完成充电。而在此之前,由于这种化学上的不稳定,锂空气电池会显示出性能迅速衰退的现象。同时,他们还用石墨烯构造高度多孔、海绵状的碳电极,再加入一些添加剂使电池保持化学稳定,解决了之前容易发生爆炸的问题。现在正在尽力让电池实现直接用空气就能运行。若是这项技术能从实验室发展到汽车上,那么电动汽车一次充电就足以从伦敦行驶至爱丁堡,而电池的成本和重量仅为当前锂离子电池的五分之一。

  不过,剑桥大学方面也表示,这种技术要真正成熟并运用到电动汽车和储电产品中,还需要一段的时间,也许在10年以内就能实现。