锂空气电池的工作原理及发展前景

2018-07-13      3485 次浏览

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。


我将以NatureMaterials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–O2andLi–Sbatterieswithhighenergystorage》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):


01.jpg

以及比容量图示(锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池对比):


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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。


03.jpg

这里面锂电池160km的数值是有由NissanLeaf给出的,而锂氧的550km是根据SionPower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


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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LiPF6inEC:DEC=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。

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电解液:目前试验常见的电解液为LiOH和CH3COOH溶液。


两者共同:


正极主要由多孔碳材料、催化剂和粘结剂组成。总的来说,其正极应满足以下基本条件:


(1)碳材料具有足够高的活性表面区域


(2)碳材料具有合适的孔隙尺寸和足够高的孔隙率;


(3)催化剂对于氧气还原具有较好的催化活性;


(4)粘结剂具有较好的特性。


负极材料研究:负极锂保护膜的研究。防止其与O2和CO2反应生成副产物,对于有水体系可能更需要注意,正极侧水性电解液中的水分对于负极锂来说威胁较大,不过要是以后用于研究,这个也是必须要面临的问题。


催化剂研究见下图:


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图中是首次恒流充电的比容量和电压关系图。可以明显的看到各种催化剂的效果。


可应用领域


电池怎么用他怎么用。


未来发展前景


锂空气电池技术需要解决的问题主要有:防止使用两种电解液的隔膜慢性渗漏;提高有机电解液的可使用温度;找到可取代目前使用的金和白金触媒剂;更换锂燃料时,如何防止水气侵入引起爆炸;如何循环未用完的锂和氢氧化锂;如何降低循环氢氧化锂的能耗。


对于他的发展我个人持保留意见,觉得研究的噱头大于实际。现在研究这个的很多组,大部分是从燃料电池转行去的,把燃料电池的一些东西放上去,直接往一次电池上面做,然后锂枝晶的问题怎么解决,更别提往二次上面去做了,主要是为了那科研经费吧。往生产实际上说,其实很多组还杂用Pt作为催化剂,电解液的挥发与污染还没有很好的解决,现在大部分还在做基础研究,要应用和生产可能是十几年或者几十年的东西,远没有锂离子电池的各项研究实际


当然也有国外的很多企业和研究者在做这个事。蓝色巨人计划利用纳米隔膜开发水纯净系统,以便将空气中的氧气与水等物质隔离开来。IBM的纳米结构经验还可以让它将电池中的氧分配到每个电池单元中去,由此防止堵塞。超级计算机则可以进行建模方面的研究,使单个原子能够通过电池中纳米隔膜。


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