开发中的锂空气电池一些研发知识之23
锂空气电池解析
锂空气电池有一个重要的问题：Li2O2无法溶解于有机电解液中， Li2O2将不断 在负极材料表面沉积，这将阻止O2的进入，导致放电终止。因此气电极是关键因素。
锂空气电池中所用的空气电极通常由多孔碳组成，多孔碳结构可以为O2向碳-电 解液界面的扩散提供气体传输通道，同时多孔结构可以为放电过程中形成的Li2O2 提供存储空间。当碳材料的孔道完全被Li2O2所填充时，放电过程将会终止。电解液在 孔道内的传输也将是决定锂空气电池能量储存的另一重要参数。以上各方面表明，
多孔碳材料的微观结构将严重影响电池的性能。研究新型的多孔碳电极材料，从
而提高容量、能量及功率密度，并且改善体系的稳定性，已经成为该领域的研究
热点。
空气电极——多孔碳材料
系列研究表明，碳材料的结构、 孔容、孔径、比表面积等因素对电 池的性能有很大的影响。
在实际应用中，非水电解质锂空 气电池性能要低于理论值，主要是 因为Li与O2反应后会在空气电极的 表面生成不溶于非水电解质的Li2O2 或Li2O产物，该产物逐步堵住碳载 体的孔道，O2和Li+无法再通过孔道 传递，放电过程被迫终止。但同时 发现，并非所有空气电极的孔容而 是仅部分孔容被填满，放电过程即 终止。由右图可知，大部分氧化产 物沉淀在不超过20％孔纵深的孔口 周围。
问题。
锂电的最终形态——锂空气电池
锂电的最终形态——锂空气电池如果说锂硫电池是替代锂离子电池的下一代锂电，那么锂空气电池将是锂电的最终形态。
从锂电诞生到应用才短短的几十年，然而电池产业已经逐渐替代化石能源。
尤其是动力电源与3C设备对锂离子电池有着源源不断的需求。
而目前的LiCoO2材料（理论比容量275mAh/g）始终制约着锂离子电池的发展和应用。
目前商业发展中，Tesla和比亚迪作为电动汽车的领头行业，分别选择三元正极材料和LiFePO4为锂离子电池正极材料。
但Tesla 依旧使用松下制作提供的18650电芯，以上千个电芯组装电池包，为汽车提供动力。
同样，LiFePO4 由于理论容量只有170mAh/g，且振实密度低，比亚迪所推出的汽车多数还是油电混合的过渡状态。
2016年5月10日，比亚迪在投资者互动平台表示，公司未来的插电式混合动力汽车将尝试使用三元锂电池。
广受追捧的iphone 6S也因1715mAh的电池饱受争议，而后期推出的iPhone 6s Smart Battery Case更是显现了苹果公司在电源部分的短板。
目前人们急需一种高性能的新型电池，2012年，牛津大学的Peter George Bruce教授在Nature发文提出新一代的高性能电池是锂硫电池和锂空气电池。
如果说锂硫电池是替代锂离子电池的下一代锂电，那么锂空气电池将是锂电的最终形态。
锂空气电池原理锂空气电池（Li-Air battery）正极为空气，负极为金属锂。
传统商业化以LiCoO2为正极的锂离子电池的理论比容量为273.8mAh/g，能量密度为360 Wh/kg。
而锂空气电池由于是一个开放体系，空气电极没有极限，因而理论容量大于其它封闭式电池。
（以反应产物Li2O计算非水系能量密度为3505Wh/kg，水系以LiOH计算为3582Wh/kg，能量密度为LiCoO2电池的十倍左右）锂空气电池电解液不同，具有不同的反应方程：2Li+ + 2e–+ O2→ Li2O2（非水系电解液）2Li+ + 2e– + ? O2 + H2O →2LiOH（水系电解液）注：非水系电解液以有机溶剂替代水溶解锂盐，本文以非水体系为主。
开发中的锂空气电池一些研发知识之21
开发中的锂空气电池一些研发知识之21
理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。
如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。
目前，各种锂离子电池，将会接受安全性、环保以及市场的考验，最后选择谁胜谁负。
目前的锂空气电池的寿命并不能令人满意，虽然相关新的发现和发明不断传来，但是权威人士估计这项技术的完善大约需要十年时间。
☉◇锂空气电池研究新动向◇☉
锂电池容量将会增加五倍，续行里程达到800公里
近日国外的科学研究小组研制出一款新型锂空气电动车电
池系统，这项技术将带给电动车行业新技术。
研究小组表示，这款新型锂空气电池采用碳代替常用的镍、
钴等材质，将电解质换成醚系列的新物质，一个单位的能源含量
达到目前锂离子电池的10至20倍，从而提高电池的效率。
研究小组的教授介绍：
①锂空气电池采用碳代替贵金属材料，从一定程度上降低了
电动车的成本；
②一次充电的续航时间达到现有电动车电池的5倍；
③假如售后能够开发出可输入电动车的电极并防止空气中
的水分和二氧化碳从两级进入电池的技术，锂空气电动车电池将
在5年后实现商业化。
全球电动锂空气电池的开发竞争非常激烈，国外的一家公司将曾宣布将在不久与国家研究部门共同开发续行里程达800公里的锂空气电池试用品。
目前锂电动车一般的续行里程是160公里。
某锂空气电池实验室。
锂空气电池的研发与应用前景
锂空气电池的研发与应用前景锂空气电池是一种新型的高能量密度电池，其优秀的性能引起了人们的广泛关注。
相比传统的锂离子电池，锂空气电池具有更高的能量密度、更低的成本以及更长的使用寿命，因此在未来的能源存储和汽车动力领域有着广阔的应用前景。
一、锂空气电池的原理和构成锂空气电池是一种利用空气中的氧气与锂反应产生电能的电池。
其基本原理是在正极（空气电极）上引入氧气，使锂质负极上的锂与氧气反应生成锂氧化物，在此过程中释放出一定的电能。
锂空气电池的主要构成部分包括锂质负极、空气电极和隔膜等。
其中，锂质负极通常采用金属锂或锂合金，而空气电极则通常采用碳纤维等导电材料，以增大反应表面积和导电性能。
二、锂空气电池的优点相比传统的锂离子电池，锂空气电池具有以下优点：1. 更高的能量密度。
由于锂空气电池利用空气作为氧化剂，因此其能量密度可以达到每千克能够存储3500 Wh以上，是锂离子电池的5-10倍，这有利于提高电池的续航能力。
2. 更低的成本。
由于锂空气电池的正极不需要添加昂贵的氧化物或氟化物，因此其制造成本较低。
3. 更长的使用寿命。
锂空气电池的正极材料是空气，因此其使用寿命可以达到更长。
三、锂空气电池在能源存储领域的应用前景锂空气电池具有高能量密度、低成本和长使用寿命等优点，因此在能源存储领域具有广阔的应用前景。
一方面，锂空气电池可以用于电网储能，将太阳能和风能等可再生能源储存在电池中，以备用电力需要。
另一方面，锂空气电池还可以用于独立电源，如航空、航天等领域，以便在没有外部能源供应的情况下提供足够的电能。
四、锂空气电池在汽车动力领域的应用前景锂空气电池在汽车动力领域也有着重要的应用前景。
相比传统的锂离子电池，锂空气电池具有更高的能量密度，因此可以大幅提高电动汽车的续航能力。
同时，锂空气电池的制造成本较低，将有望降低电动汽车制造和购买成本，提高电动汽车市场占有率。
由于锂空气电池在汽车动力领域的应用较为复杂，目前仍需要进一步的研发和优化。
开发中的锂空气电池一些研发知识之34
开发中的锂空气电池一些研发知识之34理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。
如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。
目前，各种锂离子电池，将会接受安全性、环保以及市场的考验，最后选择谁胜谁负。
目前的锂空气电池的寿命并不能令人满意，虽然相关新的发现和发明不断传来，但是权威人士估计这项技术的完善大约需要十年时间。
牵动心弦的四川芦山地震现场，活跃着多支救灾队伍。
除了公众熟知的子弟兵、医疗、志愿者等队伍外，还有数支特殊的队伍，即科技救灾队伍。
其中，镁空气储备电池组成的应急移动电源设备队伍大受关注。
大小1.2升、重1公斤左右的“充电器”，学名是“镁空气储备电池”，这小家伙能满足一台10瓦LED照明灯工作30天，或为200部智能手机充电。
这款“镁空气储备电池”能量十分高，能量密度单位达到800瓦时/千克，1公斤这种新型电池，相当于运用于汽车的铅酸电池的30倍。
“不需要充电，换了镁片加点水就能接着干。
”☉◇中国镁空气电池研究新动向◇☉国内发明的镁空气电池在四川芦山地震现场亮相镁空气储备电池能满足一台10瓦LED照明灯工作30天，或为200部智能手机充满电。
业内人士指出，鉴于镁储备电池的独特优势，其未来如果能普及将有望带动金属镁需求的增长。
镁空气储备电池，地震灾区显身手牵动心弦的四川芦山地震现场，活跃着多支救灾队伍。
除了公众熟知的子弟兵、医疗、志愿者等队伍外，还有数支特殊的队伍，即科技救灾队伍。
其中，镁空气储备电池组成的应急移动电源设备队伍大受关注。
科学家们此次带来的物品，几乎成为灾民的生活必备之物。
芦山县姜维路有一排清一色的黑色帐篷，这里驻扎着来自四川省内其他市县的交警支援队伍，帐篷里那台抢手的“充电器”和“照明灯”深受军民的喜爱。
这台大小1.2升、重1公斤左右的“充电器”，学名是“镁空气储备电池”，这小家伙能满足一台10瓦LED照明灯工作30天，或为200部智能手机充电。
开发中的锂空气电池一些研发知识之一
开发中的锂空气电池一些研发知识之一理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。
如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。
目前，各种锂离子电池，将会接受安全性、环保以及市场的考验，最后选择谁胜谁负。
目前的锂空气电池的寿命并不能令人满意，权威人士估计这项技术的完善大约需要十年时间。
以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展，锂空气电池使用的空气电极中的活性物质氧气取之不尽，带来了巨大的比能量，其能量密度达到惊人的11140mAh/g，远高于常规的锂离子电池体系，在移动能源具有广泛的应用前景。
国际著名公司正计划投入数亿美元探索研发锂空气电池项目。
锂空气电池是一个全新的概念，最近虽然已初步证明了它的可行性，还有许多问题需要解决，现在介入，有望形成大量自主知识产权，并抢占国际领先地位，填补国内空白。
致力于全新的电源体系-可充式锂空气电池空气电极及极化机理的基础研究。
通过探讨锂空气催化剂、催化剂晶型、比表面积等因素对锂空气电池放电容量及循环寿命的影响来寻找到合适的工作条件，为最终研究出容量高于常规电池的二次可充式锂空气电池奠定理论与实践基础。
近几十年来，以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展。
其中，从1991年锂离子电池产业化以来到现在，锂离子电池己经被广泛用于社会的各个领域。
但在新能源汽车领域，锂离子电池由于价格、安全性、比能量等方面的影响，寻找比能量更高、价格更低的电池系统一直是锂电池发展的方向。
另一方面，金属空气电池提供了很好的电化学性能，包括锌空气电池，镁空气电池，铁空气电池，钙空气电池等，其中锌空气电池己经商业化。
在金属空气电池中，金属负极储存能量，正极空气电极只是作为能量转换的工具，氧气并不贮存在电池中，而是来自空气中，是取之不尽的，这样也就带来了巨大的比能量，通常金属空气电池的理论比能量均在1000Wh/kg以上。
开发中的锂空气电池一些研发知识之三
开发中的锂空气电池一些研发知识之三理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。
如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。
目前，各种锂离子电池，将会接受安全性、环保以及市场的考验，最后选择谁胜谁负。
目前的锂空气电池的寿命并不能令人满意，权威人士估计这项技术的完善大约需要十年时间。
专家们的研究结论不尽相同但以上研究并没有从根本上解决电池循环过程中锂氧化物沉积并堵塞孔道的问题，而且在多孔碳材料的比表面积对电池性能的影响上，存在一些相矛盾的报道。
⑴有专家认为：放电电容与比表面积成正比的关系。
⑵但另外的专家认为：放电电容与商用碳材料的比表面积并无正比的关系，而应综合考虑比表面积与介孔尺寸的大小。
为了改善这方面的问题，有专家研究小组首次采用多孔分层石墨烯作为空气电极端的碳材料，应用在有机-水混合体系锂空气电池中，实验证明，功能化的石墨烯不仅可以提供更多的介孔孔道，而且具有更高的催化活性，被认为是很有前景的空气电极材料。
⑶专家研究小组基于气泡构建的中空球体石墨烯结构的形态与破损的蛋壳相似，这种微小的黑色粒子直径仅为3-4μm。
利用这种结构的石墨烯作成空气电极后应用于锂空气电池中，电池放电容量达到15000mAh/g，为目前所报道文献中的最高值。
他们认为，这种功能化的双峰石墨烯结构既有微米大小的开放孔隙，可加快氧气扩散，也有大量纳米孔隙（2-50nm），可催化Li-O2反应，同时防止过快增长的放电产物阻塞化学通道。
⑷首次在有机体系中应用纳米分层石墨烯的另一研究组的研究也表明：分层有序多孔结构的石墨烯中的缺陷和功能组，有利于形成孤立的纳米尺寸的Li2O2颗粒，有助于防止空气电极中的空气阻塞。
尽管新型碳材料石墨烯可以大大延缓锂氧化物在空气电极中的阻塞问题，但问题的根本并未得到解决。
⑸有专利申请人认为：采用基于纳米阵列结构的开放式设计可以很好的解决这一问题。
锂空气电池的研究发展及应用
锂空气电池的研究发展及应用近年来，随着移动互联网、电动汽车等新兴领域的急剧发展，对电池的需求量越来越大。
而作为近几年兴起的一种新型电池，锂空气电池因其高能量密度、低成本等优点备受关注。
本文将就锂空气电池的研究发展及应用进行探讨。
一、锂空气电池的概念锂空气电池是指通过将锂与空气中的氧化合生成电能的一种化学反应电池。
锂金属本身是非常活泼的一种金属反应性元素，而氧气又是空气中最常见的元素，因此将这两种元素结合在一起反应产生的电池能量直接影响了锂空气电池的能量密度。
锂空气电池具有极高的能量密度、最终产品也相对环保，不产生严重的污染物，具有极高的应用前景。
二、锂空气电池的原理锂空气电池的主要反应可以被描述为：2Li + O2 → Li2O2锂金属和氧气反应会产生亚氧化锂，这是一种亮黄色的固体，固体亚氧化锂将溶解在电解质中，并形成氢氧根离子。
锂空气电池的电解液其实就是含碱液体（如氢氧化钾或氢氧化锂等）的水溶液，而氧气往往从空中被引入到电池内部进行反应，因此，该电池被归类为空气电池。
三、锂空气电池的研究发展锂空气电池是电池领域里的老生常谈，但一直没有得到广泛的应用，主要是因为锂空气电池的耐久性不足。
主要表现在电解质的分解和氧气极的极化等方面。
针对以上问题，国内外许多科学家们已经开始加强对锂空气电池的研究，试图找到利用锂空气电池的更多新途径。
在研究过程中，科学家们对电解质、催化剂和电极材料等方面进行了探索和改进，旨在让锂空气电池更加高效和耐久。
目前，锂空气电池的研究发展主要集中在以下几个方面：1.电解质：研究水性电解质，或气相水汽的分离蒸馏，制备纯度较高的电解质从而提升电池的循环利用寿命。
2.催化剂：研究表面积大、活性高、稳定性高的催化剂，能够促进电极表面的反应，提升电池的放电性能。
3.电极材料：研究新型电极材料，尝试利用生物质等环保材料替代传统氧化铈等贵金属材料，减少材料成本并提升电池循环利用寿命。
四、锂空气电池的应用前景锂空气电池因其高能量密度、低成本等优点，具有极高的应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
开发中的锂空气电池一些研发知识之23
理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。
如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。
目前，各种锂离子电池，将会接受安全性、环保以及市场的考验，最后选择谁胜谁负。
目前的锂空气电池的寿命并不能令人满意，虽然相关新的发现和发明不断传来，但是权威人士估计这项技术的完善大约需要十年时间。
锂空气电池应当采用复合负极材料及结构。
☉◇锂空气电池研究新动向◇☉
锂空气电池，应当采用复合负极材料及结构
作为金属锂负极保护膜的条件：阻止水和CO2，只有锂离子能顺利通过以确保其导电性；金属锂能在水溶液中保持长期的稳定性。
因此如陶瓷电解质那样的原子填充量高的结晶结构较适合，但室温下显示高锂离子导电性的陶瓷材料不多，其中具有NASICON型结晶结构的Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 （x=0.3，y =0.2）组成的锂离子导电体，室温下显示了较高的电导率为10-3S／cm，另外还能在水中保持稳定，这物质是LiTi2（PO4）3及Li4Ti2（SiO4）3的固熔体Ti的位置被部分Al置换，通常记为LTAP。
有机构开发了这种瓷体，烧结体在室温下得到10-4S／cm较高的综合电导率，陶瓷材料作为保护膜必须达到很高的烧结度，LTAP玻璃陶瓷体的玻璃相将晶界埋没，因此成为只有锂离子能通过的优选材料，有大学使用了这种烧结体与粉末结合，制成负极保护膜。
LTAP的问题点是结构中含有过渡金属Ti4+被还原为Ti3+，没有让还原力强的金属锂直接被接触，所以金属锂不能直接得到电子，导致必须将锂离子导电体夹在LTAP和金属锂之间，这个中间层对金属锂要求性能稳定，与水是否稳定无关，满足这些作为中间层条件的候补材料中，研究者们选择了聚环氧乙烷（PEO）聚合物电解质，虽然这种电解质在室温下的低导电性是个问题，但对金属锂比较稳定且易于成型，有利于大面积涂布生产，有利于产业化。
图为水体系锂/空气电池的模型图，这种复合负极全体被封装在复合薄膜中，只在LTAP 薄膜上开一个与电解液的接触口。
图：锂空气电池的结构及被封装的复合锂负极。