探讨锂空气电池原理介绍及研发

本文简单介绍了锂空气电池的原理和类型，目前的研究进展以及锂空电池的优缺点。

1锂空气电池类型及工作原理

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。

不同电解液体系锂空气电池

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：

4Li+O2+2H2O→4LiOH(1-1)

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：

Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)

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：

4Li+O2→2Li2O(1-3)

2Li+O2→Li2O2(1-4)

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。

2目前研究重点内容

目前常用的锂空气电池系统主要分三种类型，a)Coin-Cell型、b)Swagelok型和c)Pouch型，如下图所示。因为目前大多数都是关于材料、电解液等单方面的研究，Coin-Cell型、Swagelok型因为简单的设计，良好的稳定性等优点，也是大多数研究机构采用的系统，而采用Pouch型的研究很少。但高比能量的电池是未来锂空气电池能够实际应用的重要目标，所以对于Pouch型的研究将对未来锂空气电池起到关键作用。

目前，锂空气电池面临的挑战主要来自电解质、空气电极和催化剂三个方面。目前采用的电解液包括传统酯类、醚类、砜类、离子液体等，但均存在不同程度的高电位充电下变质的问题;空气电极主要面临电极材料的选择及电极结构设计问题;而催化剂则面临着催化效率的问题。所以，锂空气电池领域的研究进展电可以从电解液、空气电极和催化剂材料的发展情况来观察。

3锂空电池的优缺点

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。