關(guān)于鋰空氣電池類型及工作原理介紹
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-17 10:24
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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)體系主要分為有機(jī)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(tài)電解質(zhì)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(duì)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5200 Wh/kg，在實(shí)際應(yīng)用中，由于氧氣來(lái)自外界環(huán)境，排除氧氣后的能量密度高達(dá)11430 Wh/kg。
目前對(duì)于全固態(tài)鋰空氣電池報(bào)道較少，其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好、避免形成鋰枝等優(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(shí)也都面臨著反應(yīng)機(jī)理和工藝設(shè)計(jì)的難題。目前對(duì)于鋰空氣電池的研究大多數(shù)是采用有機(jī)電解液體系。
目前常用的鋰空氣電池系統(tǒng)主要分三種類型，a) Coin-Cell 型、b) Swagelok型和c) Pouch型，如下圖所示。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)都是關(guān)于材料、電解液等單方面的研究， Coin-Cell 型、Swagelok 型因?yàn)楹?jiǎn)單的設(shè)計(jì)，良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，也是大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)采用的系統(tǒng)，而采用Pouch型的研究很少。但高比能量的電池是未來(lái)鋰空氣電池能夠?qū)嶋H應(yīng)用的重要目標(biāo)，所以對(duì)于Pouch型的研究將對(duì)未來(lái)鋰空氣電池起到關(guān)鍵作用。
目前，鋰空氣電池面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自電解質(zhì)、空氣電極和催化劑三個(gè)方面。目前采用的電解液包括傳統(tǒng)酯類、醚類、砜類、離子液體等，但均存在不同程度的高電位充電下變質(zhì)的問題；空氣電極主要面臨電極材料的選擇及電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題；而催化劑則面臨著催化效率的問題。所以，鋰空氣電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展電可以從電解液、空氣電極和催化劑材料的發(fā)展情況來(lái)觀察。
