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(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。

鋰空氣電池.jpg

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(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)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(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(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)，同時也都面對著反應(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)揮電極的高比容量優(yōu)勢。

鋰空電池那高得嚇人的比容量是純扯淡，因?yàn)檫@是基于Li和O2這種質(zhì)量幾乎無算的物質(zhì)算出來的，你拿一個小小數(shù)當(dāng)分母，當(dāng)然會除出來一個巨大的數(shù)字，這小學(xué)生都會玩。但是電池的真正容量要算就要老老實(shí)實(shí)算上所有的電極組件（這還不包括把純氧從空氣中分離出來的設(shè)備，或者純氧鋼瓶的質(zhì)量，這些咱下面再說），JeffDahn一算，哈哈，并不比LiCoO2高多少。牛皮被徹底踢爆。君不見后來蘇格蘭那位壞了名聲的鋰空大牛也只好扭扭捏捏地把Au電極的質(zhì)量也算進(jìn)去了，Au有多重多貴，做電池是給土豪專用的嗎？（不過人家依然發(fā)在Science上，不服不行），結(jié)果容量現(xiàn)在捏去了水分就只有500多了（用了Au你還想要多少）。鋰空還是鋰-純氧？這是兩個巨大不同的概念。鋰空概念股忽悠的是可以用免費(fèi)的空氣實(shí)現(xiàn)巨大的容量，這簡直就是另一個神奇的水變油！但事實(shí)是必須用純氧，你不了解氮?dú)庖矔弯嚪磻?yīng)吧，而且是不可逆的，那么空氣中多少氮?dú)獍?？所以做鋰空的人大腦會自動過濾去如何有效可靠地從空氣中分離出純氧這個問題，這是一個一直以來極其具有挑戰(zhàn)性的問題，假如可以實(shí)現(xiàn)非常高效低成本地從空氣中分離出純氧，那么很多能源問題就解決了，還費(fèi)勁巴基地搞什么電池？對了，由于鋰空體系出了名的活潑（等下講），一般必須用高純氧，一般純氧里面有點(diǎn)點(diǎn)水啊什么的，那你就等著和鋰電極或電解液反應(yīng)吧。想象一下以后汽車上載一個高純氧的大鋼瓶，這是在做火箭嗎？IBM當(dāng)年不了解被哪個作孽的給忽悠了，砸了一堆錢在鋰空項(xiàng)目上。但是去年整個項(xiàng)目被全部連根鏟掉，那個領(lǐng)頭的去了伯克利當(dāng)發(fā)考題。其實(shí)IBM還是真正的業(yè)界良心，人家靜下心來好好研究了一番，結(jié)果最終發(fā)現(xiàn)----尼瑪！是誰把我們帶到這個遭瘟的大坑里來了。事實(shí)是，這個體系比以前想象的要復(fù)雜太多，太多副反應(yīng)，Li2O2、電極、電解液之間都有復(fù)雜的副反應(yīng)，尤其是充電的過程，理應(yīng)釋放出O2，但是IBM測了很多不同電解液和電極體系發(fā)現(xiàn)很多其實(shí)并不是原來聲稱的那樣。很多原來發(fā)表的文章現(xiàn)在看來其實(shí)都是電解液的副反應(yīng)，錯得離譜！那一堆堆的文章，很多人大名都署在上面，比如蘇格蘭的那位，本來是業(yè)界大牛，結(jié)果一不小心老了老了晚節(jié)不保了。雖然大家相信這都是誠實(shí)的錯誤不是學(xué)術(shù)腐敗，但不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿弊哟蠹倚睦镌缇徒o老人家戴上了。