锂空气电池解析
锂-空气电池
为了减少气体扩散对电池性能的影响， Williford等设计了一种双重相互连通的孔隙系统 （一边有催化剂，另一边无催化剂）提高氧气传 输到空气电极内部的几率，从而提高锂空气电池 的效率。 通过上述对多孔碳空气电极的研究表明，孔容 （孔隙率）是决定多孔碳空气电机性能非常重要 的参数。一般而言，在反应比表面积充足的情况 下，碳材料的孔容越大，储存锂氧化物的空间就 越大，其容量也就越高。
4.2催化剂的效率
催化剂的催化效果不仅与其自身化学性质有关， 而且与其物理性质有关。
应用在空气电极上的催化剂种类较多，主要有以
下四种类:(1)多孔碳材料;(2)金属氧化物材料;（3） 贵金属及合金;（4）金属菁化合物。
对空气中催化剂的选择一方面要考虑催化剂的价
格，能够满足大规模商业化的应用；另一方面要 考虑催化剂的催化性能，能够满足答功率电化学 反应的要求。
主要内容： 1、锂-空气电池材料的主要问题 2、锂电极的保护 3、电解质材料 4、锂空气电极材料
1、锂-空气电池材料的主要问题
目前，锂-空气电池的研究还处于初始阶段，其 实际比能量还远远达不到其理论值，比功率较低、 循环性能也较差。目前制约其发展和应用的因素 有很多，以锂-空气电池为例，在电池材料方面主 要有：
图五为放电时间与孔隙结构之间的关系，其中 电极厚度为0.070cm,氧气分压为1.0atm，电流 密度为0.5mA.cm-2，电池总放电时间为56h。
Mirzaeian等采用碳酸钠催化剂与碳气凝胶复合作 为空气电极，研究了多孔碳的结构，孔隙率，孔径 以及比表面积对电池放电容量的影响。结果表明， 在孔容（2.195cm3.g-1）和孔径（14.23nm）时， 具有较高的放电容量（1290mAh.g-1，放电电流密 度20mA.cm-2）。 在相同厚度的空气电极中，碳的装载量与孔容是影 响电池放电容量的两个重要参数。在一定程度范围 内，随着碳装载量的增加，放电容量会有所提高。 Hayashi等研究了不同种类的碳材料作为空气电极 时电池的电化学性能。高的碳材料比表面积对应大 的放电容量。
锂_空气电池的反应机理研究
锂-空气电池的反应机理研究彭章泉*电分析化学国家重点实验室, 中国科学院长春应用化学研究所，吉林，长春，130022。
*E-mail: zqpeng@氧还原反应是燃料电池,金属-空气电池等化学电源中的正极反应[1]。
例如在酸性水溶液中,铂电催化剂表面，氧气通过两种途径还原成水：(i)直接4e还原成水，如方程(1)所示；(ii)氧气首先被还原成过氧化氢，过氧化氢在电极表面进一步还原或分解成水，如方程(2a-c)所示。
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O E0 = 1.229 V vs NHE (1)O2 + 2H+ + 2e → H2O2E0 = 0.67 V (2a)H2O2 + 2H+ + 2e → 2H2O E0 = 1.77 V (2b)2H2O2→ 2H2O + O2(2c)在氧气还原反应中，通过稳态极化曲线测量Tafel斜率(2.303RT/αnF)时常常会得到两个不同的值：在较低的过电势下Tafel斜率为60 mV/dec，在较高的过电势下为120 mV/dec。
这说明在不同的过电势下，氧气还原反应的决速步不一样，反应机理也不同。
120 mV/dec的Tafel斜率同时还说明某一单电子转移反应是氧气还原反应的决速步。
这一单电子反应很有可能是氧气还原成超氧自由基。
在非水溶剂中，氧气能被可逆地电化学还原成超氧自由基。
例如,当电解液中存在较大的阳离子如四丁基季铵阳离子时，超氧自由基就有很高的稳定性，可能是超氧自由基和季铵离子形成了稳定的离子对，如方程(3a)所示。
但是当电解液中存在离子半径较小的阳离子(如锂离子)时，该阳离子能和超氧自由基发生强烈作用，如诱导超氧自由基发生歧化反应生成过氧化锂和氧气，如方程(3b-c)所示。
在溶解有锂盐的非水溶剂中发生的氧还原反应也是锂-氧气电池放电时正极上发生的反应[2，3，4]。
O2 + e- + TBA+→ TBA+O2-(3a)O2- + Li+→ LiO2 (3b)2LiO2→ Li2O2 + O2(3c)毫无疑问，超氧自由基是氧气还原反应中最为重要的反应中间产物，对超氧自由基进行研究对理解氧气还原反应机理意义重大。
锂空气电池正极材料的研究进展
锂空气电池正极材料的研究进展摘要：随着能源产业的飞速发展和环境友好型社会的建设推动，锂空气电池以其极高的理论能量密度及无污染的特点，成为电池体系的研究热点之一。
锂空气电池正极材料对锂空气电池的性能起着重要作用，本文主要综述了锂空气电池正极材料的种类。
主要是碳材料、贵金属及合金，过渡金属及氧化物等。
关键词：锂空气电池，正极，单质，复合材料1引言锂空气电池根据电解液的状态不同，主要可分为水体系、有机体系、水-有机混合体系以及全固态锂空气电池[1]。
在有机体系锂空气电池工作时，原料O通2过多孔空气电极进入到电池内部，在电极表面被催化成氧离子或过氧根离子，与电解质中的锂离子结合生成过氧化锂或氧化锂，沉积在空气电极表面，当产物将空气电极的多孔结构完全堵塞时电池停止放电[2]。
锂空气电池概念自1974年被首次提出，因其不可比拟的理论能量密度，备受研究者的关注，历经几十年的发展和优化，其实际性能也得到了很大的提升，但是，当前的锂空气电池仍面临能量转换效率低、倍率性能差、循环寿命短等问题，极大地阻碍了其实际应用。
正极是锂空气电池的关键组成部分，其上面发生的氧还原反应（ORR)和析氧反应（OER）显著影响电池的工作性能，如过电位、倍率性能、循环稳定性等[3]。
因此，成功开发低成本、高活性、长寿命的高效双功能正极催化剂已成为促进锂空气电池性能提升和发展应用的迫切任务。
2锂空气电池正极单质材料种类碳材料：碳材料包括一些商业碳黑、多孔碳材料、碳纳米管和纳米纤维以及石墨烯等，由于高的导电性、低密度、低成本和易于构造多孔结构等优势，碳材料被广泛应用于锂空气电池中。
碳材料的低质量密度和高导电性有利于锂空气电池获得较大的重量比容量。
碳电极的孔结构可以用现有技术轻松调节，从而提高锂离子和氧气的传输效率[4]。
此外，碳材料的电子结构可以通过掺杂原子进行调整，掺杂原子可以形成催化Li2O2。
基于以上优点，碳材料既可以作为催化剂单独使用，也可以作为其他催化剂的载体使用。
锂电池与空气的对流传热系数_概述说明以及解释
锂电池与空气的对流传热系数概述说明以及解释1. 引言1.1 概述本篇文章旨在探讨锂电池与空气之间传热系数的问题。
随着锂电池在现代电子产品和交通工具中的广泛应用，对其散热效率的研究变得尤为重要。
了解锂电池与空气之间的传热机制以及相关影响因素对于提高锂电池的性能和寿命至关重要。
1.2 文章结构本文将按以下顺序组织内容。
首先，在第2部分中，我们会对锂电池背景和应用进行概述，并介绍对流传热的基本原理。
接着，第3部分将详细解释锂电池与空气之间传热系数的影响因素，包括温度差异、流体性质和表面特性等方面。
第4部分将介绍实验方法并分析结果。
最后，在第5部分我们将总结得出的结论并探讨未来进一步研究的展望和建议。
1.3 目的本文旨在通过对锂电池与空气之间对流传热系数的概述和解释，增加人们对该领域中相关知识的了解。
通过研究锂电池散热机制的影响因素，我们希望能够为改进锂电池设计和散热方案提供有益的指导。
同时，本文也对未来进一步研究和发展提出了展望和建议，促进学术界和工业界在此领域的进一步探索与创新。
2. 锂电池与空气的对流传热系数概述2.1 锂电池的背景和应用锂电池作为一种高性能、轻便的电源装置，广泛应用于移动设备、电动车辆和储能系统等领域。
其优点包括高能量密度、长寿命和环境友好等。
然而，由于锂电池在使用过程中会产生热量，如果无法有效地传出热量，可能会导致温度升高，从而影响其性能和安全性。
2.2 对流传热的基本原理对流传热是指通过流体（包括气体和液体）的循环运动来实现热量的传递。
在自然对流中，热量是通过流体的浮力产生，并沿着温度梯度向上升腾或向下降落。
在强制对流中，外部力如风扇或泵提供了额外的能量来促使流体循环。
2.3 锂电池与空气之间的传热机制说明锂电池与周围空气之间主要通过对流传热来实现热量交换。
当锂电池表面温度高于环境温度时，周围空气与锂电池表面发生热对流。
热流通过将热量从锂电池表面传递到周围空气中，以减少温度差异。
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。
锂空气电池
有机体系里空气电池
结构示意图
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。因此人们意识到要提高 有机电解液体系的锂空气电池的放电容量，空气电极是关键因素。 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。
锂空气电池
锂-空气电池
锂空气电池原理如图所示，以金属锂为负极， 由碳基材料组成的多孔电极为正极，放电过程中， 金属锂在负极失去电子成为锂离子，电子通过外电 路到达多孔正极，电子将空气中的氧气还原，这一 反应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电 过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中 产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出 氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂。由此可见， 整个过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零 污染的绿色过程。 锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性 物质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽 用之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既 降低了成本又减轻了电池的重量，所以电池的能量 密度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得 出，锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的 超高理论能量密度，这一能量密度足以和汽油相媲 美，从而有望完全代替汽油，真正实现纯电动汽车。
研究和优化新型锂空气电池的性能
研究和优化新型锂空气电池的性能摘要：随着电子产品的普及和新能源汽车的快速发展，对高能量密度、低成本、环境友好的电池需求日益迫切。
作为一种潜在的候选电池技术，锂空气电池具有较高的理论能量密度和良好的环境可持续性，引起了广泛的研究兴趣。
本论文综述了近年来对新型锂空气电池性能的研究，并重点介绍了优化其性能的方法，包括催化剂设计、氧气输送和电解液改进等。
通过不断地改进和创新，新型锂空气电池有望在未来的能源存储领域发挥重要作用。
关键词：锂空气电池、性能研究、催化剂设计、氧气输送、电解液改进第一章引言1.1 背景近年来，随着全球电子产品的快速发展以及对清洁能源的需求增加，锂电池作为一种重要的能量存储技术备受关注。
然而，传统的锂离子电池受限于其有限的能量密度和增加的成本，无法满足日益增长的电能需求。
因此，寻找更加高效、可持续和成本效益的电池技术成为当今研究的热点之一。
1.2 锂空气电池概述锂空气电池作为一种潜在的候选电池技术，具有较高的理论能量密度和良好的环境可持续性，引起了广泛的研究兴趣。
其工作原理是通过氧气和锂之间的反应来释放能量，氧气从空气中提取，然后通过催化反应与锂发生氧化反应。
与锂离子电池相比，锂空气电池的理论能量密度更高，可以满足更高能量密度应用的需求。
然而，锂空气电池在实际应用中仍面临诸多挑战，如低能量效率、催化剂活性和寿命等问题。
第二章锂空气电池性能研究进展2.1 催化剂设计催化剂是锂空气电池中至关重要的组成部分，可以提高氧气的电化学活性和电池的能量效率。
现有催化剂主要分为金属基催化剂和非金属基催化剂。
其中，碳基材料因其良好的导电性、高比表面积和成本效益优势被广泛研究。
此外，金属氧化物、金属酸盐和金属有机框架等也被用作催化剂。
未来研究可进一步探索合成新型催化剂，优化其活性和稳定性，以提高锂空气电池的性能。
2.2 氧气输送锂空气电池中的氧气输送对于电池的能量效率和长周期稳定性至关重要。
目前，常见的氧气输送方法主要包括自由扩散、气泵和多孔隔膜。
锂氧电池原理
锂氧电池原理锂氧电池原理一、锂氧电池的定义和分类锂氧电池是一种新型的二次电池，其正极材料为纯锂金属，负极材料为氧化剂。
根据不同的电解液，锂氧电池可以分为液态锂氧电池和固态锂氧电池两种。
二、液态锂氧电池的原理液态锂氧电池的电解液通常为锂盐溶液加上有机溶剂，如在碳酸锂溶解于丙烷腈中形成的溶液。
在放电过程中，锂金属正极上的锂离子脱离金属表面，在电解液中与氧化剂反应生成氧化锂，并释放出电子。
电子和离子通过外部电路和电解液之间的传输，从而形成电流。
三、固态锂氧电池的原理固态锂氧电池使用先进的固体电解质代替液态电解液。
固态电解质通常由几种锂盐和高分子材料混合制成。
在放电过程中，锂金属正极上的锂离子离开金属表面，通过固态电解质中的离子通道，与氧化剂反应生成氧化锂，并释放出电子。
电子和离子在固态电解质中传输，形成电流。
四、液态锂氧电池和固态锂氧电池的比较液态锂氧电池和固态锂氧电池在原理上有相似之处，但固态锂氧电池相对更加稳定和安全。
由于固态电解质的使用，固态锂氧电池克服了液态锂氧电池的一些缺点，如热失控、电解液泄漏和金属锂枝晶的生成等问题。
五、锂氧电池的应用前景锂氧电池具有高能量密度、长循环寿命、较低成本和环境友好等特点，因此在能源储存领域具有广阔的应用前景。
锂氧电池可以用于电动汽车、电子设备以及可再生能源系统等领域，为人们的生活和工作提供可靠、高效的能源解决方案。
六、结语锂氧电池作为一种新兴的能源储存技术，具有巨大的发展潜力。
通过深入研究锂氧电池的原理，提高电池的效率和稳定性，将有助于推动其在各个领域的应用。
我相信，在不久的将来，锂氧电池将成为能源领域的重要支柱，为人类社会的可持续发展做出重要贡献。
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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。
1996年Abrahamh和Jiang提出基于有机电解液
体系的锂空气电池，
正极 负极
2LiL→i+ L+i+O+2+e2-e- →2Li2O2
电池总反应
2Li+O2→2Li2O2
但直到2006年，Ogasawara等实验证明了锂空
气电池的可充电性，才使得该电池成为电能存储
领域的研究热点。
有机体系里空气电池 结构示意图
有机体系里空气电池
锂空气电池的概念最早在1976年就被提出，
它是将金属锂作为负极，空气(或氧气)作为正极，
以及碱性水溶液作为电解液组成的一种金属一空
气电池。放电时的电池反应为：
正极 负极
OLi2→+2LHi+2O++e4-e-→4OH-
电池总反应 4Li+O2+2H2O→4LiOH
这种电池存在着锂负极与水性电解液发生反映的
除了常规的碳载体外近年来也开始在碳源中掺杂氮原子。因为氮
原子的孤对电子与单层石墨纳米带π系统的结合可以产生具有良好催
化性能的纳米结构。研究表明，N-C由于具有更高的表面积、孔容和 电化学活性，因此显著地提高了锂-空气电池的性能。
催化剂和电解液
在O2还原反应过程中，催化剂的使用通常 可以在很大程度上提高反应的效率。此外， 有机体系锂-空气电池具有很高的过电压，因 此需要寻找优异的电催化剂来降低过电压从 而提高能量效率。空气电极中，通过添加合 适的氧化物（例如锰氧化物）催化剂，能提 高电池的比容量， 较好的改善电池循环性能。 此外，贵金属纳米粒子（Au、Pt 和Pt-Au合 金纳米粒子）作催化剂，可降低过电压，从 而有效提高电池的能量效率。
沉淀量与孔纵深的关系
碳载体材料的比表面积对锂-空气电池的电化 学反应有着非常重要的作用。一般来说，表面 积越大就给催化剂颗粒提供了更多的分散空间， 同时也提供了更多的电化学反应活性位。故不 同的表面积导致了不同的催化剂分散程度和催 化剂在碳载体上的接触面积，这些最终都导致 了不同的催化活性。
但是，碳载体的表面积越大并非必然导致更 高的比容量。Yang等人经过对比研究，分别将 Super P，XC-72，活性炭，碳纳米管和石墨作 为碳载体应用于锂-空气电池的正极中。其中， 活性炭虽拥有最大的表面积，但比容量却不高， 这也更加强调了多孔性和孔径的重要性。例如 Super P，表面积虽不大，但孔径最大，比容量 也最大。因此在尽量保持高比表面积下，具有 中孔或大孔尺寸孔径的碳材料可以更好的满足 以上要求。如右图所示，随着放电反应的进行， 锂氧化物会随机沉淀在微孔、中孔和大孔中。 但当锂氧化物沉淀在微孔孔口时，微孔即被堵 塞，该孔内的质量传递也被终止。而在中孔及 大孔中，当锂氧化物沉淀的密度比较低时，并 不会阻碍O2和电解液的扩散。
锂空气电池
锂-空气电池
锂空气电池原理如图所示，以金属锂为负极，由 碳基材料组成的多孔电极为正极，放电过程中，金 属锂在负极失去电子成为锂离子，电子通过外电路 到达多孔正极，电子将空气中的氧气还原，这一反 应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电过 程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产 生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧 气，锂离子则在负极被还原成金属锂。由此可见， 整个过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零 污染的绿色过程。
锂氧化物在不同孔径中的 沉淀情况
Chris Tran等人实验指出，锂空气 电池的放电比容量与碳载体的平均 孔径成正相关，而与碳载体的孔表 面积关系不大。从图5可以看出平 均孔径和电池比容量近似线性关系， 孔径越大，比容量越大。
放电时间、比容量与平均孔径的关系
新型碳空气电极材料
Yong-yao Xia等通过纳米浇铸技术由介孔泡沫材料(MCF)二氧化硅硬 模板制备介孔碳泡沫(MCF-C)。这种碳正极拥有二级介孔孔道结构， 分别为4.3 nm和30.4 nm以及窄的孔尺寸分布。与多种商用碳材料相 比，该碳正极比目前最优越的Super P碳黑的放电能力还要高出40％。 性能提高是由于MCF-C不仅在孔容上具有优势(1.45 cm3/g)，更拥有 超大微孔结构和窗口结构，可以使得锂的氧化物不只沉积在MCF-C的 微孔口周围，还可通过窗口沉积在孔的内部。
锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物 质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽用 之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既降 低了成本又减轻了电池的重量，所以电池的能量密 度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得出， 锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的超 高理论能量密度，这一能量密度足以和汽油相媲美， 从而有望完全代替汽油，真正实现纯电动汽车。