鋰空氣電池工作原理究竟是什麼_鋰空電池的優缺點及反應方程式

　　什麼是鋰空氣電池

　　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（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池裡。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子後成為鋰陽離子（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），並留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

　　鋰空氣電池工作原理與反應方程式

　　鋰空氣電池採用鋰作為負極活性材料，採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（非水性電解液體系）、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態電解質體系。

　　不同電解液體系鋰空氣電池

　　鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為鹼性水溶液。氧氣在空氣電極上發生氧還原反應，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下，Li的自放電率很高，並伴隨著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，目前還沒有商業化的產品。綜合考慮實用性和安全性，水系鋰空氣電池並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，工作原理是基於Li2O2的生成與分解：

　　4Li+O2→2Li2O（1-3）

　　2Li+O2→Li2O2（1-4）

　　根據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，由於氧氣來自外界環境，排除氧氣後的能量密度高達11430Wh/kg。

　　目前對於全固態鋰空氣電池報導較少，其具有穩定性好、循環性能好、避免形成鋰枝等優點，但其低導電性，容量和能量密度限制了其發展。

　　每一種電池體系都有其各自的優點，同時也都面臨著反應機理和工藝設計的難題。目前對於鋰空氣電池的研究大多數是採用有機電解液體系。

　　鋰空氣電池的性能

　　空氣電池這是一種由日本產業技術綜合研究所與日本學術振興會（JSPS）共同開發出的一種新構造的大容量鋰空氣電池。

　　理論上可實現大容量的「鋰空氣電池」作為新一代大容量電池而備受矚目。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反應生成物，阻隔了電解液與空氣的接觸，導致停止放電等問題。

　　負極（金屬鋰）採用有機電解液，正極（空氣）方面則使用水性電解液，兩極由固體電解質隔開，以防止兩電解液發生混合。由於固體電解質只通過鋰離子，因此電池的反應可無阻礙地進行。正極的反應生成物具有水溶性，不產生固體物質。實驗證明該電池可連續放電50000mAh/g（空氣極的單位質量）。

　　該技術極有望用於汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補充負極的金屬鋰的話，汽車可實現連續行駛且無需充電等待時間。可以從用過的水性電解液中輕鬆提取金屬鋰，鋰能夠反覆使用。可以說是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。

　　鋰離子電池目前已經開始在電動汽車上應用，為了實現長距離行駛，作為蓄電池時的高性能化和低成本化備受期待。但目前的鋰離子電池受制於電池容量很難實現長距離行駛，要實現長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價格大幅上升的問題。

　　要實現電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。因此，理論上能源密度遠遠大於鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關注。由於鋰空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物質，理論上正極容量無限大，因此可實現大容量。

　　鋰空電池的優缺點

　　鋰空氣電池的理論比能量為11430Wh/kg（排除O2重量），與汽油的比能量相近。因而，鋰空氣電池系統實際比能量預計能夠達到1700Wh/kg。近十年，特別是最近幾年，鋰空氣電池正在被廣泛的研究，也報導了許多重要的實驗結果，但最高的電池實際能量密度僅比鋰離子電池高一些。因而提高電池的能量密度和倍率性能來實際應用於未來領域還需要更多的突破性進展。

　　與其他電池相比，鋰空氣電池有比能量高、成本低廉、可充放性、環境友好等。但是，對於有機體系，在空氣電極、電解液、催化劑等方面已經有了一定認識，但還存在著一些重要的問題，如放電性能、能量效率、催化劑、空氣電極設計、都是鋰空氣電池體系的關鍵科學問題。這些這些問題的解決將會推動鋰空氣電池走向實際的應用。

　　鋰空氣電池應用前景分析

　　池的續航能力能夠加強，才會真正步入電動汽車的時代。不過，貌似這一幕離我們已經不再遙遠：劍橋大學的團隊已經解決了這一技術存在的某些實際問題，其在電動化學領域的一項突破可能將大幅提高電池容量。

　　劍橋大學的化學教授克萊爾˙格雷和她的團隊認為，攻克了鋰空氣電池開發中的技術難關。理論上說，只有這種電池能讓電動汽車在不必攜帶巨大而笨重的電池組的情況下，擁有可媲美汽油車及柴油車的續航裡程。鋰空氣電池能量密度比目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術要高10倍。意味著同樣體積的電池，鋰空氣電池的儲電量是其他鋰電池的10倍。研究人員表示，劍橋實驗室中展示的電池系統效率達90%，可充電2000次。

　　劍橋大學這種鋰空氣電池的化學原理其實十分簡單。它通過鋰和氧結合成過氧化鋰實現放電，然後再通過施加電流逆轉這一過程而完成充電。而在此之前，由於這種化學上的不穩定，鋰空氣電池會顯示出性能迅速衰退的現象。同時，他們還用石墨烯構造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使電池保持化學穩定，解決了之前容易發生爆炸的問題。現在正在盡力讓電池實現直接用空氣就能運行。若是這項技術能從實驗室發展到汽車上，那麼電動汽車一次充電就足以從倫敦行駛至愛丁堡，而電池的成本和重量僅為當前鋰離子電池的五分之一。

　　不過，劍橋大學方面也表示，這種技術要真正成熟並運用到電動汽車和儲電產品中，還需要一段的時間，也許在10年以內就能實現。

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