空气锂离子电池的工作原理

作者饶江宇

　　我将以Nature Materials上综述文章为主体，加上我自己的一些理解为您解答。原文《Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage》如果有兴趣可以去看看这篇文章，写得很不错。

　　至于你说生产什么的，这还只是一个概念，这些东西还只是可能实现，就在这里不论了。

　　一、概述

　　锂空气电池，更准确的称呼应该是锂氧电池（Li-O2），它是一种基于金属与空气化学能转换电能的电池。在这种电化学型的电池由诱导的氧化锂的阳极和氧气阴极组成。电极反应总式分为含水电解质反应和无水电解质反应如下图（包括各类锂电池放点图示）

　　

　　以及比容量图示（锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池对比）

　　

　　很明显， 锂氧和锂硫电池的比容量明显高于锂电池这是由于用于锂氧电池的Li2O2和LiOH在锂电池的质量分数远大于LiCoO2。

　　下图是描述用各种电池驱动汽车的行进的里程，蓝色代表已经实现，褐色代表正在进行生产研究中，红色代表(R&D=research&development）科学研究中。下面的横条表示的是各种电池每千瓦时需要花费的钱。

　　

　　这里面锂电池160km的数值是有由Nissan Leaf给出的，而锂氧的550km是根据Sion Power关于锂硫电池的数据推导出来的。

　　二、化学反应

　　对于含水电解液和不含水电解液，放电时反应都一样，Li→Li+，正极的金属锂氧化释放锂离子至电解液，充电时则相反。在正极，氧气进入阴极的多孔材料，融入孔洞的电解液中并和表面接触发生还原反应。在这里就要区分含水电解液和不含水电解液了，在不含水电解液中O2形成O2（2-）[小括号表示得到电子]，并和Li+形成Li2O2（最终产物），在含水电解液中Li2O2进一步反应生成LiOH。[也有些作者称可以得到Li2O，这可以提高容量，但这不利于充电反应进行，后面还会说到]

　　下面对无水电解质和含水电解质分开来说

　　1、无水电解质

　　

　　隔膜需要满足条件隔绝空气中的CO2和H2O防止其反应生成LiOH和LiCO3使反应不可逆。

　　电解液（现在研究的比较多）非水性锂空气电池的电解液主要作为传导离子、传输氧气的载体，其性能需要满足如下基本条件

　　（1）在充放电过程中，具有较高的稳定性。

　　（2）具有高的氧气溶解性和氧气扩散系数（较低

　　的粘度）；

　　（3）具有低的吸水性和挥发性；

　　（4）具有高的离子传导性；

　　（5）具有合适的接触角（电解液与碳表面）。

　　参考锂离子电池电解液（一般研究还是主要为LiPF6 in ECDEC=1:1），其余的诸如GC(glass-ceramic)材料与 PC(polymer-ceramic)材料制成的层状织膜固体聚合物电解质，LiTFSI-PMMITFSI–silica–PVdF-HFP等等有兴趣可以google学术下。

　　2、含水电解质

　　虽然非水性电解液解决了水与负极锂副反应的产生，然而其反应产物 Li2O2不溶于电解液，逐步堵塞正极的孔隙，减少反应界面面积，阻碍反应物扩散至反应界面，从而阻止反应的进一步进行，使实际获得的比容量低于其理论值，同时还导致锂空电池循环性能较差等不良结果。一些科学家提出含水电解液。它的理论密度低于无水型电解质但实际实验暂高。

　　电解液目前试验常见的电解液为 LiOH 和 CH3COOH 溶液。

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