鋰空氣電池的工作原理

鋰空氣電池是一種用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)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?yàn)槠潢帢O很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池采用鋰作為負(fù)極活性材料，采用多孔的氣體擴(kuò)散層電極作為正極材料，按電解質(zhì)體系重要分為有機(jī)電解液體、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態(tài)電解質(zhì)體系。

放電過(guò)程：陽(yáng)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子（Li+），Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過(guò)氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開(kāi)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(fā)生氧還原反應(yīng)，形成氫氧化物。其放電反應(yīng)方程為：

4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

放電過(guò)程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護(hù)膜而阻礙電化學(xué)反應(yīng)的快速進(jìn)行。在開(kāi)路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應(yīng)：

Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

在水系電解液中，金屬Li極易和水反應(yīng)，因此對(duì)鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品。綜合考慮實(shí)用性和安全性，水系鋰空氣電池并非最終實(shí)際應(yīng)用的首選。

非水電解液體系的鋰空氣電池使用了含有可溶性鋰鹽的有機(jī)電解液，工作原理是基于Li2O2的生成與分解：

4Li+O2→2Li2O（1-3）

2Li+O2→Li2O2（1-4）

根據(jù)1-3式計(jì)算，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，在實(shí)際應(yīng)用中，由于氧氣來(lái)自外界環(huán)境，排除氧氣后的能量密度高達(dá)11430Wh/kg。目前關(guān)于全固態(tài)鋰空氣電池報(bào)道較少，其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好、防止形成鋰枝等優(yōu)點(diǎn)，但其低導(dǎo)電性，容量和能量密度限制了其發(fā)展。每一種電池體系都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也都面對(duì)著反應(yīng)機(jī)理和工藝設(shè)計(jì)的難題。目前關(guān)于鋰空氣電池的研究大多數(shù)是采用有機(jī)電解液體系。

目前水平的鋰空氣電池單體能量密度比高鎳三元高不了太多。因此還要技術(shù)上的突破，才能發(fā)揮電極的高比容量?jī)?yōu)勢(shì)。

鋰空氣電池的分類

整體上，鋰空氣電池可以分成六類：有機(jī)體系、水體系、離子液體體系、有機(jī)-水雙電解質(zhì)體系、全固態(tài)體系和鋰-空氣-超級(jí)電容電池。

1.水系鋰空氣電池

水系電解質(zhì)鋰空氣電池，電解質(zhì)是不同酸堿度的各種水溶液，在酸性和堿性不同的電解質(zhì)中，電池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也不同。鋰金屬在水系電解質(zhì)中腐蝕嚴(yán)重，自放電率特別高，使得電池循環(huán)性和庫(kù)倫效率都非常低。

2.有機(jī)系鋰空氣電池

該體系采用金屬鋰片作為負(fù)極，氧氣做正極，聚丙烯腈(PAN)基聚合物作為電解質(zhì)(溶劑PC、EC)，開(kāi)路電壓(OCV)在3V左右，比能量(不計(jì)入電池外殼)為250350Wh/kg。這個(gè)數(shù)據(jù)，拿到當(dāng)前看，比較高，但與鋰單質(zhì)的理論極限相比，低太多。

3.水-有機(jī)雙液體系鋰空氣電池

水-有機(jī)雙液體系鋰空氣電池的基本形式，電池中負(fù)極金屬鋰處于有機(jī)電解液中，正極空氣電極一側(cè)電解液為KOH水溶液，中間以超級(jí)鋰離子導(dǎo)通玻璃膜隔開(kāi)。這種新構(gòu)型鋰空氣電池的新穎之處在于不用擔(dān)心有機(jī)體系中空氣電極反應(yīng)產(chǎn)物堵塞電極微孔的問(wèn)題，水相中的氧氣在空氣電極上還原成可溶于水的LiOH。

4.全固態(tài)鋰空氣電池

全固態(tài)鋰空氣電池，中間的電解質(zhì)由3部分組成，最中間一層比例最大的是耐水性很好的玻璃陶瓷，靠近鋰負(fù)極和氧氣正極分別是兩個(gè)薄層的不同的高分子材質(zhì)。全固態(tài)鋰空氣電池不存在漏液?jiǎn)栴}，安全性有所提高，但固態(tài)電解質(zhì)與鋰負(fù)極、空氣電極、包括固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的接觸，不會(huì)像液體電解質(zhì)那樣緊密，這就可能造成電池內(nèi)阻增大。相對(duì)有機(jī)體系鋰空氣電池，該體系構(gòu)造也較復(fù)雜。