鋰空氣電池的工作原理,鋰空氣電池分類

來源：存能電氣  日期：2019-06-05 09:05  瀏覽量：次

　　鋰空氣電池的工作原理,鋰空氣電池分類。鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應，理論能量密度上限達到11000Wh／kg，遠超過鋰電池目前200＋Wh／kg的實際能量密度，因此得到了學術界和工業(yè)界的熱捧。

　　鋰空氣電池的工作原理

　　鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極很輕，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極活性材料，采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料，按電解質體系主要分為有機電解液體、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態(tài)電解質體系。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為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，形成氫氧化物。其放電反應方程為：

　　4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

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

　　Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

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

　　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式計算，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，在實際應用中，由于氧氣來自外界環(huán)境，排除氧氣后的能量密度高達11430Wh/kg。目前對于全固態(tài)鋰空氣電池報道較少，其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好、避免形成鋰枝等優(yōu)點，但其低導電性，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，同時也都面臨著反應機理和工藝設計的難題。目前對于鋰空氣電池的研究大多數(shù)是采用有機電解液體系。

　　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。因此還需要技術上的突破，才能發(fā)揮電極的高比容量優(yōu)勢。

　　鋰空氣電池的分類

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

　　1.水系鋰空氣電池

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

　　2.有機系鋰空氣電池

　　該體系采用金屬鋰片作為負極，氧氣做正極，聚丙烯腈(PAN)基聚合物作為電解質(溶劑PC、EC)，開路電壓(OCV)在3V左右，比能量(不計入電池外殼)為250—350Wh/kg。這個數(shù)據(jù)，拿到當前看，比較高，但與鋰單質的理論極限相比，低太多。

　　3.水-有機雙液體系鋰空氣電池

　　水-有機雙液體系鋰空氣電池的基本形式，電池中負極金屬鋰處于有機電解液中，正極空氣電極一側電解液為KOH水溶液，中間以超級鋰離子導通玻璃膜隔開。這種新構型鋰空氣電池的新穎之處在于不用擔心有機體系中空氣電極反應產(chǎn)物堵塞電極微孔的問題，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，靠近鋰負極和氧氣正極分別是兩個薄層的不同的高分子材質。全固態(tài)鋰空氣電池不存在漏液問題，安全性有所提高，但固態(tài)電解質與鋰負極、空氣電極、包括固態(tài)電解質內部的接觸，不會像液體電解質那樣緊密，這就可能造成電池內阻增大。相對有機體系鋰空氣電池，該體系構造也較復雜。

　　總體而言，鋰空氣電池反應產(chǎn)物中，存在大比例不可逆成分，這是各種技術路線都無法規(guī)避的問題，必須正面解決。鋰空氣電池未來或顛覆電池領域，工業(yè)實用化路還很長。