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鋰空氣電池，又被稱為金屬燃料電池，簡單理解，就是用金屬鋰做負極，空氣中的氧氣做正極的一種鋰電池。如果單純考慮電極的理論比能量，已經(jīng)接近了汽油。但它的反應可逆性差，反應過程需要催化劑。加上電解質(zhì)的質(zhì)量，當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。因此還需要技術上的突破，才能發(fā)揮電極的高比容量優(yōu)勢。

1鋰空氣電池組成和工作機理

金屬空氣電池，由于其主要活性物質(zhì)——氧氣來自于大氣環(huán)境中，無需特殊容器進行存儲，因而降低了電池的整體質(zhì)量，使得電池具有足夠的空間來提供更多的能量。從理論上講，電池的容量僅取決于陽極金屬材料的容量。然而在大多數(shù)金屬負極中，鋰金屬具有最輕的質(zhì)量（Mw=6.94gmol-1，ρ=0.535gcm-3）且電負性為3.045V（相比于標準氫電極SHE電勢），金屬鋰的理論比容量為3860mAh/g，據(jù)此進行計算得到鋰/空氣電池的理論比能量密度5,200Wh/kg（考慮活性物質(zhì)氧氣質(zhì)量在內(nèi)）或11,400Wh/kg（排除活性物質(zhì)氧氣質(zhì)量進行計算），其比能量密度與傳統(tǒng)汽油的比能量密度（約為13,200Wh/kg）較為接近，約為傳統(tǒng)鋰離子二次電池的5~10倍。這里都是在說理論上。

空氣鋰電池，正極是純金屬鋰片，包含大量催化劑的空氣正極和電解質(zhì)構(gòu)成，電解質(zhì)的類型不同，其工作過程也略有區(qū)別。整體上，鋰空氣電池可以分成六類：有機體系、水體系、離子液體體系、有機-水雙電解質(zhì)體系、全固態(tài)體系和鋰-空氣-超級電容電池。

1.1水系鋰空氣電池

水系電解質(zhì)鋰空氣電池，電解質(zhì)是不同酸堿度的各種水溶液，在酸性和堿性不同的電解質(zhì)中，電池發(fā)生的化學反應也不同。

由于金屬鋰能與水發(fā)生劇烈氧化還原反應，故需要在金屬鋰表面包覆一層對水穩(wěn)定的鋰離子導通膜，即NASICON型的超級鋰離子導通膜(LTAP)Li3M2(PO)4。但它與鋰接觸并不穩(wěn)定，反應產(chǎn)物會使二者的界面阻抗增大。

水系鋰空氣電池的概念提出得較早，它不存在有機體系中空氣電極反應產(chǎn)物堵塞空氣電極的問題，但在鋰負極保護上還沒有得到較好的解決，包括LTAP在水溶液中的穩(wěn)定性問題，這都仍然作為該體系研究的方向。

鋰金屬在水系電解質(zhì)中腐蝕嚴重，自放電率特別高，使得電池循環(huán)性和庫倫效率都非常低。

1.2有機系鋰空氣電池

該體系采用金屬鋰片作為負極，氧氣做正極，聚丙烯腈(PAN)基聚合物作為電解質(zhì)(溶劑PC、EC)，開路電壓(OCV)在3V左右，比能量(不計入電池外殼)為250—350Wh/kg。這個數(shù)據(jù)，拿到當前看，比較高，但與鋰單質(zhì)的理論極限相比，低太多。

由于使用有機溶劑作為電解液，解決了金屬鋰的腐蝕問題，該電池展現(xiàn)了良好充放電性能?？諝怆姌O由碳、粘結(jié)劑、非碳類催化劑、溶劑混合均勻后涂覆在金屬網(wǎng)上制成。制備好的空氣電極應具備良好的電子導電性(＞1S/cm)、離子導電性(＞10~2S/cm)和氧氣擴散系數(shù)。對電池性能影響最明顯的因素是空氣電極的電極材料、氧氣還原機理以及相應的動力學參數(shù)。

上述反應產(chǎn)物中，只有過氧化鋰Li2O2的反應是可逆的，也就是說，研究者需要盡力提高反應中過氧化鋰的比例，而降低氧化鋰的比例，才能實現(xiàn)鋰空氣電池的循環(huán)充放能力。而具體決定產(chǎn)物類型的因素，沒有統(tǒng)一意見。有的認為空氣電極的極化水平影響過氧化物的比例，有的認為催化劑影響比較大，也有的認為電解質(zhì)材質(zhì)在發(fā)揮主要作用。

1.3水-有機雙液體系鋰空氣電池

水-有機雙液體系鋰空氣電池的基本形式，電池中負極金屬鋰處于有機電解液中，正極空氣電極一側(cè)電解液為KOH水溶液，中間以超級鋰離子導通玻璃膜(lithiumsuper-ionicconductorglassfilm，LISICON)隔開。這種新構(gòu)型鋰空氣電池的新穎之處在于不用擔心有機體系中空氣電極反應產(chǎn)物堵塞電極微孔的問題，水相中的氧氣在空氣電極上還原成可溶于水的LiOH。

技術中的關鍵部件隔膜，耐堿性差，并且電阻與放電電流密度有關，是這個技術路線中不理想的難點。

1.4全固態(tài)鋰空氣電池

全固態(tài)鋰空氣電池，中間的電解質(zhì)由3部分組成，最中間一層比例最大的是耐水性很好的玻璃陶瓷，靠近鋰負極和氧氣正極分別是兩個薄層的不同的高分子材質(zhì)。全固態(tài)鋰空氣電池不存在漏液問題，安全性有所提高，但固態(tài)電解質(zhì)與鋰負極、空氣電極、包括固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的接觸，不會像液體電解質(zhì)那樣緊密，這就可能造成電池內(nèi)阻增大。相對有機體系鋰空氣電池，該體系構(gòu)造也較復雜。

固態(tài)鋰空氣電池的發(fā)展經(jīng)歷了工作溫度由高溫到中溫和室溫，電池結(jié)構(gòu)從復雜到簡單，

電池反應從基于氧離子傳輸，在負極生成放電產(chǎn)物；到基于鋰離子傳輸在正極生產(chǎn)放電產(chǎn)物的過程。盡管如此，由于倍率性能上的巨大差距，目前基于鋰離子傳輸?shù)墓虘B(tài)鋰空氣電池有待在電池結(jié)構(gòu)、界面調(diào)控、充放電機理等方面取得更進一步的突破。

1.5離子液體體系鋰空氣電池

什么是離子液體，有機陽離子和陰離子共同組成的鹽溶液。目的是利用電解質(zhì)中的陽離子在鋰負極和氧正極之間傳遞電荷。

離子液體因具有低可燃性、疏水性、低蒸氣壓、寬電化學窗口和高熱穩(wěn)定性而被引入到鋰空氣電池中，但其黏度高、價格較高，在一定程度上限制了離子液體的進一步應用。

2當前面臨的問題和方向

鋰空氣電池的研究動力，主要的來自于其高的驚人的理論比容量，但其存在的問題極多，最基本的氧化還原機理目前還并沒有清晰的論證。

(1)鋰空氣電池放電過程中氧化還原（ORR）和充放電產(chǎn)物分解反應（OER），反應過程很難發(fā)生，需要催化劑協(xié)助。效果較好的貴金屬催化劑，成本太高；大環(huán)化合物也能發(fā)揮近似作用，但由于生產(chǎn)過程復雜，成本也不低。高效低價的催化劑是重要的研究對象。

(2)空氣電極載體形貌、孔徑、孔隙率、比表面積等因素對鋰空氣電池能量密度、倍率性能以及循環(huán)性能都有很大影響。有機系鋰空氣電池，放電產(chǎn)物存在堵塞氧氣擴散通道的風險，可能因此導致放電結(jié)束?？諝怆姌O載體的物理特性優(yōu)化可能是解決這方面問題的方向。

(3)電解質(zhì)中有機溶劑穩(wěn)定性問題，碳酸酯和醚等有機溶劑雖然具有較寬的電化學窗口，但是在有活性氧的條件下，很容易被氧化分解，反應生成烷基鋰、二氧化碳和水等物質(zhì)。有機溶劑的分解直接導致電池容量衰減以及循環(huán)壽命迅速下降。因此，尋找穩(wěn)定、兼容性好的有機溶劑是鋰空氣電池有一個迫切問題。

(4)發(fā)展高性能導電聚合物電解質(zhì)，來提高鋰空氣電池的倍率性能以及循環(huán)性能。需要的電解質(zhì)：更高的鋰離子電導率、更好的阻氧能力、阻水能力以及寬的電化學窗口。

(5)由于鋰空氣電池在敞開環(huán)境中工作，空氣中的水蒸氣以及二氧化碳等氣體對鋰空氣電池危害極大。水蒸氣滲透到負極腐蝕金屬鋰，從而影響電池的放電容量、使用壽命；二氧化碳能和放電產(chǎn)物反應生成碳酸鋰，而碳酸鋰的電化學可逆性非常差。因此，需要研制氧氣選擇性好的膜來防止水蒸氣的滲透以及電解液的揮發(fā)。

3鋰空氣電池的優(yōu)缺點

優(yōu)點

1)成本低，正極活性物質(zhì)采用空氣中氧氣，不需要存儲，也不需要購買成本，空氣電極使用廉價碳載體。

2)能量密度高，相比較傳統(tǒng)的鋰離子電池，鋰空氣電池的能量密度達5200Wh/kg，不計算氧氣的質(zhì)量其能量密度更能達到11140Wh/kg，高出現(xiàn)有電池體系一個數(shù)量級。

3)綠色環(huán)保,鋰空氣電池不含鉛、鎘、汞等有毒物質(zhì)，是一種環(huán)境友好型電池體系。

缺點

總體而言，鋰空氣電池反應產(chǎn)物中，存在大比例不可逆成分，這是各種技術路線都無法規(guī)避的問題，必須正面解決。各個技術路線中存在的缺點，基本已經(jīng)在分類和存在問題中提及，此處不再贅述。

文章內(nèi)容整理自下列參考文獻：

1張濤，固態(tài)鋰空氣電池研究進展；

2王紅，可充鋰空氣電池關鍵材料研究；

3冷利民，鋰_空氣電池關鍵材料的制備及其性能研究；

4張棟，鋰空氣電池研究述評；