鉅大LARGE | 點擊量：2202次 | 2021年09月21日
鋰空氣電池發(fā)展介紹
鋰空氣電池是一種用鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。其放電過程為負極的鋰金屬釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質材料，在正極與氧氣、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），并留在正極的多孔碳素基底之中，其開路電壓為2.91V。鋰空氣電池甚至比鋰硫電池具有更高的能量密度，因為其陽極（以多孔碳為主）很輕，正極活性物質（氧氣）并不要儲存在正極而是從環(huán)境中獲取。理論上，由于氧氣作為正極反應物沒有物料限制，所以鋰空氣電池的容量僅取決于鋰金屬電極，最吸引研究者眼球的是其比能為5,210Wh/kg（包括氧氣質量），或11,140Wh/kg（不包括氧氣），還可折算為40.1兆焦耳/千克，而這一數(shù)據(jù)與汽油的44兆焦耳/千克相差并不多。相對與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能。因此，從比能量的角度來說，它極其具有吸引力。
上世紀90年代中期，K.M.Abraham與其同事首次論證了可實際應用的非水鋰空氣電池，此款電池使用金屬鋰作為負極（陽極），使用多孔碳作為正極基底材料，正負極之間使用凝膠狀電解質薄膜同時作為電池隔膜和離子傳輸媒介，來自于環(huán)境的氧氣通過多孔碳的孔隙進入正極區(qū)域，并充當正極活性材料的角色。在鋰空氣電池放電過程里，碳基孔洞中的氧氣被消耗掉，出現(xiàn)的放電產物隨之被填充于碳基孔洞中。用于鋰空氣電池的電解質材料包括聚丙烯晴（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）等凝膠狀電解質。電解質還可以使用有機溶劑、干燥的有機聚合物和無極金屬電解質。
技術在線2010年十二月二十二日報道，在日本召開的第51屆電池研討會（2010年十一月0九日～十一日）上，以新一代鋰離子充電電池的正極材料為首，全固態(tài)電池和鋰空氣電池等新一代鋰離子電池成果的發(fā)表數(shù)量較之上屆會議出現(xiàn)了明顯的新增。作為新一代鋰離子電池而開發(fā)活動日趨活躍的鋰空氣電池，正極利用大氣中的氧，能量密度按理論值計算能夠提高到現(xiàn)有鋰離子電池15倍以上，受到了極大的關注。不過，由于鋰空氣電池正極的構造與燃料動力鋰電池相同，要具備利用催化劑與氧發(fā)生反應的構造。而且，要想作為充電電池使用，必須還原已經(jīng)在空氣極發(fā)生反應的Li2O2等，在實用化方面還殘留有許多亟待解決的課題。
日本產業(yè)技術綜合研究所能源技術研究部門能源界面技術研究小組組長周豪慎和日本學術振興會（JSPS）外籍特別研究員王永剛于2009年0二月下旬對媒體宣布，共同開發(fā)出了新構造的大容量鋰空氣電池。這種鋰空氣電池的負極材料是金屬鋰，浸泡在含有鋰鹽的有機溶劑電解液中；正極（空氣）方面則使用水性電解液，類似燃料動力鋰電池的結構，空氣（氧氣）在多孔碳電極內的催化劑用途下，與正極的水機電解液發(fā)生反應，在正極形成堿性溶液，完全擺脫原有鋰空氣電池在正極生成鋰氧化物堵塞多孔碳的問題；隔膜使用LISICON（鍺酸鋅鋰）晶片，這是一種固體電解質，以防止兩電解液發(fā)生混合。由于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。
電池的開路電壓為3V左右，因為解決了正極空氣的攝入問題，所以此種鋰空氣電池的容量非常的大。實驗證明該電池可持續(xù)放電50,000mAh/g（空氣極的單位質量），最高數(shù)據(jù)達到了80,000mAh/g。但是由于LISICON（鍺酸鋅鋰）晶片對鋰離子的通過性較差（25攝氏度，110-4S/cm），得到這樣大的比容量是在500多個小時的實驗時間下完成的，同時正極區(qū)域還出現(xiàn)了難溶的鋰氫氧化物，這樣的實驗結果顯然有關電動汽車行業(yè)來說沒有什么價值，但是因為其具有較大的理論容量，假如在隔膜材料等方面的技術上有所突破，在儲能行業(yè)應該會有較好的利用價值。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
基于此，周提出了一個新概念鋰燃料動力鋰電池。假如能在電解液中處理掉難溶的LiOH，并且在負極鋰金屬耗盡后更換全新的鋰片，這基本上可以說是用金屬鋰作為燃料的新型燃料動力鋰電池。通俗地說，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，假如能做到這些，那么，這種鋰空氣電池（或者說鋰燃料動力鋰電池）極有可能用于電動汽車，汽車可實現(xiàn)持續(xù)行駛且無需充電等待時間。周還進一步補充，可以從用過的水性電解液中輕松提取金屬鋰，鋰能夠反復使用。不過，因為鋰金屬為極其活性，這種電池的可靠性和安全性從來都是一個大問題。日本產業(yè)技術綜合研究所并沒有在這方面提出很好的解決辦法。
日本另一個值得一提的研發(fā)公司是豐田汽車。在2009年舉辦的第50屆電池研討會上，豐田聲稱，在把現(xiàn)有鋰離子電池使用的PC（聚碳酸酯）用做鋰空氣電池電解液溶媒后，試驗結果顯示，鋰空氣電池的正極端不會析出Li2O2，而是析出來自于電解液溶媒的碳酸鹽（carbonate）類化合物，也不會發(fā)生理論上的充放電反應。因此，豐田當時對鋰空氣電池的原始反應機理提出了質疑。不過，在2010年的第51屆電池研討會上，豐田糾正了自己的看法。它公布了正極由科琴導電碳黑（Ketjenblack）、電解二氧化錳和氟樹脂粉末（PTFE）構成，負極為鋰金屬的鋰空氣電池的試制結果。結果顯示，當使用離子液體N-甲基-N-丙基哌啶雙三氟甲烷磺酰亞胺（PP13TFSA）作為電解液的溶劑時，出現(xiàn)了與理論相符的充放電反應，在正極側確認到了被視為Li2O2的析出物。
該電池在初次充放電的電壓差方面，PC較大，為1.2V，PP13TFSA的電壓差縮小到了0.75V。PP13TFSA因為粘度高，所以使用該材料的試驗是在60℃下進行的。初次放電后擴大觀察正極部分時，除確認到了被視為Li2O2的50nm～100nm左右的析出物之外，在充電時僅檢測到了氧氣，由此可以推測，該電池出現(xiàn)了與理論相符的充放電反應。具體試驗方式是準備多個放電深度為10%～100%不等的單元，觀察其正極，然后對各單元進行充電，再次觀察其正極。經(jīng)確認，放電時在正極表面均勻出現(xiàn)的nm等級析出物會在充電時分解，而放電時出現(xiàn)的粗大析出物在充電后未分解。由此可知，在今后，通過抑制放電時粗大析出物的生成，鋰空氣電池的性能有望得到提升。
美國方面在鋰空氣電池方面的研發(fā)也一直在緊張進行，但他們有關成果發(fā)表非常謹慎，不輕易對外透露相關信息。據(jù)張杰的了解，美國的阿貢國家實驗室（ANL）在這方面有非常深入的研發(fā)，但在其官方網(wǎng)站上很難找到相關具體信息。另外一個國際巨頭IBM也在積極研發(fā)鋰空氣電池。IBM決定投身這項研發(fā)工作是由公司Almaden實驗室納米科學項目主管WinfriedW.Wilcke積極促成的，他領導的技術聯(lián)盟將制造一種鋰和氧元素結合的動力鋰離子電池，希望能將目前鋰離子電池性能提高10倍，充一次電有望驅動電動汽車500km～800km，同時，這種新型電池還可以存儲電網(wǎng)中的電力。
IBM表示其在材料科學，納米科技，化學以及超級計算機方面深具相關相關經(jīng)驗，因此公司在新電池的開發(fā)上具有很大優(yōu)勢。藍色巨人計劃利用納米隔膜開發(fā)水純凈系統(tǒng)，以便將空氣中的氧氣與水等物質隔離開來。IBM的納米結構相關相關經(jīng)驗還可以讓它將電池中的氧分配到每個電池單元中去，由此防止堵塞。超級計算機則可以進行建模方面的研究，使單個原子能夠通過電池中納米隔膜。IBM承認這項開發(fā)工作很困難，表示希望能在2011年有初步成果。
有人總結，今后一段時間，鋰空氣電池技術要解決的問題重要有：防止使用兩種電解液的隔膜慢性滲漏；提高有機電解液的可使用溫度；找到可取代目前使用的金和白金觸媒劑；更換鋰燃料時，如何防止水氣侵入引起爆炸；如何循環(huán)未用完的鋰和氫氧化鋰；如何降低循環(huán)氫氧化鋰的能耗。
總體來看，鋰硫電池和鋰空氣電池目前還處在研發(fā)階段，離實用化還有一段距離，未來5年內可能都難以產業(yè)化。有關這方面，真鋰在線這里就簡單描述至此。在以后的技術專輯中，有關其技術進展的情況，會有更進一步的研究和介紹。
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