鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng)，理論能量密度上限達(dá)到11000Wh/kg，遠(yuǎn)超過鋰電池目前200+Wh/kg的實(shí)際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)電池領(lǐng)域中未來的顛覆技術(shù)。然而鋰空電池方面的研究在業(yè)內(nèi)也一直存在著不少質(zhì)疑之聲，不少人認(rèn)為鋰空電池定義不明（應(yīng)叫鋰氧）、反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、極化大效率低、循環(huán)壽命不佳，并不是未來（動力電池需求為重要行業(yè)推動力的）電池工業(yè)的靠譜發(fā)展方向。當(dāng)然在此過程中，研究人員不斷努力開展工作，產(chǎn)生了許多成果，對該方向前景的討論也在不斷深入。

最近美國科學(xué)家等在鋰空電池的研究方面達(dá)成了突破，在《NATURE》上發(fā)文，成功制成了可在類空氣氣氛中循環(huán)超700次的電池，很好的解決了之前很多體系只能與純氧反應(yīng)、循環(huán)壽命很差（常常只有幾十次）的問題，在該領(lǐng)域的科學(xué)研究層面取得了重大進(jìn)展。在此，筆者將簡單介紹該文的研究進(jìn)展內(nèi)容，并簡要展望鋰空電池技術(shù)未來的工業(yè)化實(shí)用前景。

1. 美國科學(xué)家工作介紹

1.1 鋰空電池技術(shù)概念討論——抑制副反應(yīng)的重要性

鋰空電池技術(shù)的一大優(yōu)勢就在于11000Wh/kg的理論密度上限幾乎可以與化石燃料相媲美。然而該數(shù)據(jù)只是一個最為樂觀的估計方法。該電池目前一般公認(rèn)的反應(yīng)機(jī)理為：

2 Li + O2 ↔Li2O2

在該反應(yīng)中，如果不計算O2的質(zhì)量占比，認(rèn)為其從空氣中取之不盡，當(dāng)然可以以純鋰在本反應(yīng)中的能量變化值來直接計算得到11500Wh/kg的理想值（下圖）。然而該計算實(shí)際上并不嚴(yán)謹(jǐn)：1）反應(yīng)體系的比能量計算不應(yīng)該拋除反應(yīng)氣體的質(zhì)量，如果計算入O2的質(zhì)量，該反應(yīng)體系的能量密度馬上會下降為3500Wh/kg；2）實(shí)際上鋰金屬會與空氣中幾乎所有的成分發(fā)生復(fù)雜的不可逆反應(yīng)，這也是鋰空電池體系技術(shù)的一大瓶頸。

對鋰空電池理論能量密度的計算（不包括氧氣的質(zhì)量），摘自Jeff Dahn的報告《Electrically Rechargeable Metal-air Batteries Compared to Advanced Lithium-ion Batteries》 

因此實(shí)際上，鋰空電池(Li-air)的嚴(yán)格定義是鋰氧電池(Li-O2)，而抑制鋰金屬與空氣中其它各組分的復(fù)雜反應(yīng)實(shí)際上鋰空電池的最重要的一個先要解決的基礎(chǔ)問題。

1.2 本文的解決辦法

該文章作者提出的解決辦法為：在充滿CO2的氣氛中，對鋰負(fù)極進(jìn)行反復(fù)的電化學(xué)充放循環(huán)，使其表面生成Li2CO3/C復(fù)合保護(hù)層。研究人員使用了SEM、EELS、XPS對于該層的致密形貌、化學(xué)鍵合狀態(tài)、元素存在情況進(jìn)行了表征，確認(rèn)了該層的生成情況。然后對該有保護(hù)層的鋰電極做測試，他們發(fā)現(xiàn)即使在深度循環(huán)把鋰全部用光的stripping test(0.5mA/cm2)中，其也可以實(shí)現(xiàn)每周循環(huán)中鋰容量/物質(zhì)99.97%的保持率，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于行業(yè)內(nèi)的其它研究成果。 

1.3 全電池反應(yīng)、壽命情況與保護(hù)層制備工藝優(yōu)化

該文作者用MoS2陰極、有該保護(hù)層的鋰陽極，EMIM-BF4/DMSO (25%/75%)混合電解液制成了全電池，并在人工配成的類空氣氣氛中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一周的反應(yīng)開始發(fā)生在2.92V，與Li2O2形成的電勢2.96V非常接近，說明了主反應(yīng)進(jìn)行良好，在3.75V時達(dá)到了500mAh/g的比容量。第一周循環(huán)的極化電壓差為0.88V，50周后為1.3V，550周后為1.62V。而在反應(yīng)達(dá)到700周后，電池依然可以工作；與此形成對比的是，不經(jīng)保護(hù)的鋰空氣電池只能循環(huán)10次左右就已經(jīng)失效。對于保護(hù)層的厚度選擇，該文作者認(rèn)為：太薄的保護(hù)層會導(dǎo)致電解液分解，厚的保護(hù)層又會導(dǎo)致大的電荷轉(zhuǎn)移電勢以及副反應(yīng)，因此需要優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)10次循環(huán)制備的保護(hù)層厚度最為合適。

A 本文有保護(hù)層的電池反應(yīng)第一周到第550周的充放電曲線   B 10次預(yù)循環(huán)制備的保護(hù)層樣品可以達(dá)到最優(yōu)的循環(huán)性能 

本文制備的鋰空、鋰氧電池隨循環(huán)的極化電壓情況變化