鋰-空氣電池的負(fù)極材料是金屬鋰、正極是能通過O2的多孔碳基材料，我們通常根據(jù)電解質(zhì)的不同將鋰空氣電池分為四類：非質(zhì)子性鋰-空氣電池、水體系鋰-空氣電池、混合型鋰-空氣電池和固態(tài)鋰-空氣電池[9, 10, 14]。

非質(zhì)子鋰-空氣電池：

 

典型非質(zhì)子鋰-空氣電池設(shè)計(jì)由一個(gè)金屬鋰陽(yáng)極、一個(gè)添加催化劑粒子的多孔碳基材料陰極，以及溶解鋰鹽的非質(zhì)子性溶劑電解質(zhì)組成。常用的非質(zhì)子電解質(zhì)包括有機(jī)碳酸鹽、醚、酯、鋰鹽溶劑等。非質(zhì)子電解質(zhì)是目前應(yīng)用最多的電解質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是氧溶解度高、對(duì)鋰腐蝕性小、電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性好，缺點(diǎn)是放電產(chǎn)物為固體，容易阻塞空氣正極，且鋰氧化物中只有Li2O2能在充電過程中分解，電池循環(huán)性能較差。 

 

水體系鋰-空氣電池：

 

水體系鋰-空氣電池由鋰金屬陽(yáng)極、水電解質(zhì)和多孔碳陰極組成。水電解質(zhì)結(jié)合了溶解在水中的鋰鹽。它避免了陰極堵塞問題，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物是水溶性的。與非質(zhì)子溶劑相比，水設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際放電潛力。然而，鋰金屬與水有劇烈的反應(yīng)，因此水的設(shè)計(jì)要求鋰和電解液之間有一個(gè)固體電解質(zhì)界面。

 

混合體系鋰-空氣電池：

 

水體系-非質(zhì)子鋰-空氣電池或叫混合體系鋰-空氣電池，它的設(shè)計(jì)試圖聯(lián)合非質(zhì)子和水體系電池設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。混合設(shè)計(jì)的共同特征是一個(gè)由鋰導(dǎo)電膜連接的兩部分(一部分是水，一部分是aprotic)。當(dāng)陰極與水面接觸時(shí)，陽(yáng)極與非質(zhì)子端毗鄰。鋰導(dǎo)電陶瓷通常被用作連接兩個(gè)電解質(zhì)的薄膜。

 

固態(tài)鋰-空氣電池：

 

目前的固態(tài)鋰-空氣電池使用鋰做負(fù)極，陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷作為電解質(zhì)，多孔碳作為正極。陽(yáng)極和陰極通常由聚合物-陶瓷復(fù)合材料分離，在陽(yáng)極上加強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移，并將陰極與電解液結(jié)合在一起。聚合物陶瓷復(fù)合材料降低了整體阻抗。固態(tài)電池設(shè)計(jì)增強(qiáng)了安全性從而消除了點(diǎn)火破裂的可能性，但缺點(diǎn)是大多數(shù)玻璃陶瓷電解質(zhì)的導(dǎo)電性低。

 

 鋰-空氣電池的優(yōu)勢(shì)與缺陷？ 

 

鋰-空氣電池應(yīng)用到汽車領(lǐng)域的理念，早于1970年就被提出，但受當(dāng)時(shí)材料技術(shù)發(fā)展所限，一直未能深入研究，至今也尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及材料科學(xué)技術(shù)的提升，鋰-空氣電池也開始備受關(guān)注，原因之一是其理論比能量很高。對(duì)鋰和氧(空氣中)進(jìn)行配比，理論上可以使電化學(xué)電池具有最高的能量[15-17]。事實(shí)上，非水體系鋰空氣電池的理論能量約12kWh/Kg，這相當(dāng)于汽油的理論能量（13kWh/Kg），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出鋅空氣電池、鋰離子電池、鋰硫電池等（如圖3所示）。而實(shí)踐中，每塊鋰-空氣電池的特定能量也達(dá)到了1.7kWh/kg，這比一塊商業(yè)鋰離子電池要大5倍，足以運(yùn)行一輛2噸的全電動(dòng)汽車(FEV)，只需使用60公斤的電池就可以行駛500公里[5]。

 

鋰-空氣電池的另一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)就是正極的活性物質(zhì)氧氣是直接來(lái)源于周圍空氣，因而是取之不盡用之不竭的，并且不需要儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，這樣既降低了成本又減輕了電池的重量，電池的能量密度完全取決于金屬鋰一側(cè)。而在電池的充放電全過程中，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，完全是零污染的綠色過程[16]。

 

然而，細(xì)心的讀者應(yīng)該注意到了，在所謂的“(金屬)鋰-空氣(氧氣)電池”的工作環(huán)境下，實(shí)際起到功能作用的是空氣中的氧氣。因此，并非如名字般美好，鋰-空氣電池對(duì)工作環(huán)境還是有一定的要求。因此鋰-空氣電池還有很多問題沒有得到解決：大氣中H2O、CO2的影響所產(chǎn)生的副反應(yīng)，放電生成物析出導(dǎo)致空氣回路的堵塞，大的充放電過電壓導(dǎo)致的催化劑問題，以及空氣電極炭集流體的腐蝕等。更有研究表明大氣中的氮?dú)庖膊桓始拍膮⑴c進(jìn)此反應(yīng)。

 

同時(shí)，Li?O?析出反應(yīng)的抑制直接關(guān)系到電池的放電容量，關(guān)于Li?O?析出的另一個(gè)問題是充電時(shí)過電壓較大，這不僅關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)引起Li?O?析出載體炭的氧化等新問題[17,18]。

 

鋰離子與氧氣共存的條件下，碳材料的電位升高，生成碳酸鋰，過高的電壓有可能導(dǎo)致電解液分解，因此對(duì)空氣電極有各種討論。普遍認(rèn)為，鋰-空氣電池正極的結(jié)構(gòu)、組成和空氣催化劑的催化活性對(duì)電池比容量與循環(huán)性能有重要的影響，如Bruce等研究小組報(bào)道α-MnO?的納米線與碳進(jìn)行復(fù)合，具有高的可逆性[8-9]。