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鋰空氣電池設(shè)計(jì)技術(shù)

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2019年08月16日  

鋰空氣電池設(shè)計(jì)技術(shù)


日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布的鋰空氣電池的設(shè)計(jì)構(gòu)思是,只在金屬鋰的負(fù)極使用有機(jī)電解液,正極的空氣級(jí)使用水性電解液(圖1)。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用。圖1新結(jié)構(gòu)“鋰空氣電池”的構(gòu)成。左側(cè)為放電,右測(cè)為充電圖2新結(jié)構(gòu)“鋰空氣電池”的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)放電曲線(xiàn)圖3循環(huán)使用鋰的“金屬鋰燃料電池”

如果在負(fù)極的有機(jī)電解液和空氣極的水性電解液之間,用只能通過(guò)鋰離子的固體電解質(zhì)隔開(kāi)的話(huà),可防止兩電解液發(fā)生混合,而且能促進(jìn)電池發(fā)生反應(yīng)。這樣,能夠防止正極的固體反應(yīng)生成物——氧化鋰(Li2O)析出。

該電池通過(guò)放電反應(yīng)生成的不是固體氧化鋰(Li2O),而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰(LiOH),這樣就不會(huì)引起空氣極的碳孔堵塞。另外,由于水和氮等無(wú)法通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜,因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。此外,配置了充電專(zhuān)用的正極,可防止充電時(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和劣化。

負(fù)極采用金屬鋰條,負(fù)極的電解液采用含有鋰鹽的有機(jī)電解液。中間設(shè)有用于隔開(kāi)正極和負(fù)極的鋰離子固體電解質(zhì)。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠,與由微細(xì)化碳和廉價(jià)氧化物催化劑形成的正極組合。

放電時(shí)電極反應(yīng)如下:

(1)負(fù)極反應(yīng)(Li→Li++e-)

金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于有機(jī)電解液,電子供應(yīng)給導(dǎo)線(xiàn)。溶解的鋰離子(Li+)穿過(guò)固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中。

(2)正極反應(yīng)(O2+2H2O+4e-→4OH-)

通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)供應(yīng)電子,空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子(OH-)。在正極的水性電解液中與鋰離子(Li+)結(jié)合生成水溶性的氫氧化鋰(LiOH)。

充電時(shí)電極反應(yīng)如下:

(1)負(fù)極反應(yīng)(Li++e-→Li)

通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)供應(yīng)電子,鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過(guò)固體電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極表面,在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰。

(2)正極反應(yīng)(4OH-→O2+2H2O+4e-)

反應(yīng)生成氧。產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)線(xiàn)。

使用了此次新開(kāi)發(fā)的堿性水性電解質(zhì)凝膠的鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率放電時(shí),放電容量約為9000mAh/g。另外,充電容量也約達(dá)到9600mAh/g。與此前報(bào)道的原鋰空氣電池的容量(700~3000mAh/g)相比,放電容量大幅提高。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠后,在空氣中以0.1A/g的放電率放電時(shí),可連續(xù)放電20天,放電容量約為50000mAh/g(圖2)。

新的鋰空氣電池沒(méi)電時(shí)也無(wú)需充電,只需更換正極的水性電解液,通過(guò)卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用(圖3)。這是一種新型燃料電池,名為“金屬鋰燃料電池”。理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過(guò)的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰(LiOH),很容易重新生成金屬鋰,可作為燃料進(jìn)行再利用。


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