锂空气电池Thelithium-airbattery_BrunoScrosati
开发中的锂空气电池一些研发知识之17
开发中的锂空气电池一些研发知识之17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。
正是由于锂空气电池目前商业化化可望而不可及，就希望开发锌电池。
虽然它开发得很早，但是大容量及大电流放电性能差，再次充电效果很差。
低功率锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型，活性炭电极能反复使用，因而电池在耗尽电荷量以后，只能更换锌电极和碱液，才可以重复使用。
现在简要介绍一下锌空气电池，让您与锂空气电池作一下对比。
☉◇锌空气电池研究新动向◇☉相关研究所对锌空气电池进行全面研究和尝试，电池再次充电效果差锌空气电池(zincairbattery)，用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。
又称锌氧电池。
分为中性和碱性两个体系的锌空气电池，分别用字母A和P表示，其后再用数字表示电池的型号。
锌空气电池都充电过程进行得十分缓慢，为解决这一问题，通常锌空气电池的负极锌板或锌粒，被氧化成氧化锌而失效后，一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法，使锌空气电到完全更新。
放电时正、负极和总反应的化学方程式为：负极：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ正极：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ总反应：2Zn+O2=2ZnO现在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包，开发了锌空气干电池的技术。
锌空气电池主要有4种类型：①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同，也采用氯化铵与氯化锌为电解质，只是在炭包中以活性炭代替了二氧化锰，并在盖上或周围留有通气孔，在使用时打开;②纽扣式锌空气电池：结构与锌银扣式电池基本相同，但在正极外壳上留有小孔，使用时可打开;③低功率大载荷电量的锌空气湿电池：将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中;④高功率锌空气电池：一般是将薄片状粘结式活性炭电极装在电池外壁上，将锌粉电极装在电池中间，两者之间用吸液的隔膜隔离，上口装有注液塞。
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展锂离子电池已经改变了便携式电子产品，并且在交通电气化中扮演了非常重要的角色。
然而，锂离子电池的能量上限不足以满足当今社会的长远需求，例如扩展范围的电力汽车。
超越锂离子电池的限制是一个艰难的挑战，有几种选择。
这里，我们考虑两种：锂硫电池和锂空气电池。
储存在锂硫电池和锂空气电池中的能量不亚于锂离子电池。
科研工作者还正在研究这两种电池的作用机理，如果这两种电池被成功开发，那么一直困扰着人们的难题将会被解决。
在电池的反应机制以及新的材料方面的最新科学进展是非常关键的。
关键词：锂硫电池，锂空气电池第一章锂硫电池[1]1.1背景锂离子电池(LIBs)，是最普遍的可交换能源之一，在20世纪90年代最初被使用到现在已经超过了20多年，在便携式设备中一直被广泛使用。
然而，LIBs已经达到其理论能量极限，因此不能满足当今电力汽车的大容量与长循环寿命的需求。
随着越来越迫切的需求以及强大的市场潜力，科研工作者们开始研究具有更高能量密度而且成本更低的可交换电池。
金属锂在所有金属中电负性很高而拥有最低的密度，所以有着最高的容量（3861 mAh/g）,而且它是所有的可交换电池负极材料中优先考虑的。
单质硫的理论容量是1673 mAh/g。
因此，在考虑锂硫完全反应的情况下，锂硫电池可以达到非常高的质量能量密度(2500Wh/kg)和体积能量密度(2800 Wh/L)。
而且由于地球上硫元素的储备非常丰富，该电池比LIBs的成本更低。
与LIBs相比，硫阴极可以保持在一个安全的电压范围（1.5-2.5V）。
另外，硫是无毒的。
毋庸置疑，锂硫电池的这些优势使其成为能源储备的一个非常好的选择，同时在绿色能源中也扮演了非常重要的角色，因此缓解了全球变暖而且减少了化石燃料的使用。
然而，锂硫电池的商业化收到了以下方面的阻碍。
例如硫元素的绝热特性以及多硫化物的溶解会导致硫的损失和电池容量的极速降低。
为了解决这些问题，人们努力把材料做成纳米维度和结构，纳米尺寸材料因其不易降解的特性成为解决上述问题的一种非常有效的手段。
高性能锂-空气电池
高性能锂-空气电池
佚名
【期刊名称】《《科学之友：A版》》
【年(卷),期】2009(000)005
【摘要】日本研究人员近日研发出一种新型锂-空气电池。
这种无需充电的燃料电池将来有望为车辆提供动力。
【总页数】1页(P14)
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.41
【相关文献】
1.日本研发出高性能锂-空气电池 [J],
2.移动产品用锂聚合物蓄电池,燃料电池和空气锌电池 [J], 陈金阁
3.未来的电池之星——锂-空气电池 [J], 詹澍
4.磷酸铁锂高性能动力电池生产线项目 [J],
5.日研发出高性能锂—空气电池 [J],
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锂空气电池发展历史
锂空气电池发展历史锂空气电池是一种使用锂金属作为阳极、空气中的氧气作为阴极的电池。
它具有高能量密度、低成本和环保等优点，被认为是未来电池领域的一个重要发展方向。
本文将从锂空气电池的起源、发展以及未来展望等方面，介绍锂空气电池的发展历程。
锂空气电池的概念最早可以追溯到1960年代末期，当时美国能源部的研究人员首次提出了这一概念。
然而，由于当时技术条件的限制，锂空气电池的研究进展缓慢。
直到20世纪90年代末期，随着锂离子电池的大规模商业化应用，锂空气电池的研究才开始受到更多的关注。
在过去的二十年里，锂空气电池取得了长足的进展。
首先是电池的正极材料。
早期的锂空气电池使用多孔碳材料作为正极，但由于其低催化活性和较低的导电性，导致电池性能不稳定。
随着纳米材料和碳纳米管等新材料的发展应用，电池的正极材料得到了明显的改善，提高了电池的能量效率和循环寿命。
其次是电池的电解质。
传统的锂空气电池使用有机溶剂作为电解质，但由于其易燃、易挥发和对锂金属的腐蚀性，限制了电池的安全性和循环寿命。
近年来，研究人员提出了使用固态电解质替代有机溶剂的方案，大大提高了电池的安全性和稳定性。
电池的阴极反应也是锂空气电池研究的重点之一。
在锂空气电池中，氧气是阴极活性物质，但氧气的还原反应速度较慢，限制了电池的输出功率。
研究人员通过引入催化剂和改变电极结构等方法，提高了氧气的还原反应速度，从而提高了电池的性能。
锂空气电池仍然面临一些挑战和限制。
首先是锂金属的安全性问题。
锂金属具有高反应性和易燃性，在充放电过程中容易发生安全事故。
其次是电池的循环寿命问题。
锂空气电池在长时间循环使用过程中，阳极会出现极化现象，导致电池的能量效率下降。
此外，锂空气电池的能量密度仍然较低，需要进一步提高。
然而，尽管存在这些挑战，锂空气电池的发展前景依然广阔。
研究人员正在不断改进电池的材料和结构，以提高电池的性能和稳定性。
同时，随着可再生能源的快速发展和电动汽车的普及，对高能量密度电池的需求也越来越大，锂空气电池有望成为未来电池领域的主流技术。
日本三重大学研发出锂空气电池
日本三重大学研发出锂空气电池
导语：锂空气电池是金属空气电池的一种，是下一代电池发展的重要方向之一，其原理为利用金属与空气中的氧气发生反应而放电，取代传统锂电池的负极材料。
有媒体报道称，日本三重大学近日成功研发出锂空气电池，有取代传统锂离子电池的潜力，其优势体现在降低电池重量的同时能提高容量，但具体产品情况还需拭目以待，该项目的负责人称，将会在美国化学学会举办的技术展上公开。
特斯拉汽车也在开发锂金属空气电池，此前有媒体报道称，TeslaMotors的公司最新泄漏的专利显示，其已经在汽车电池领域获得重大突破。
该专利描述了此电池组由锂离子和金属空气电池（lithium-ionandmetal-air）组成，充一次电可以让汽车行驶距离达400英里（约合650公里）。
而英文字母E代表经济性，特斯拉ModelE 被寄予了铺平电动汽车大规模应用道路的厚望，预计这款电动汽车的售价为3万美元，续航里程将达200英里。
锂空气电池是金属空气电池的一种，是下一代电池发展的重要方
向之一，其原理为利用金属与空气中的氧气发生反应而放电，取代传统锂电池的负极材料。
美国铝业与以色列Phinergy公司就Phinergy铝-空气电池的进一步研发问题就曾签订了联合开发协议。
理论上金属空气电池的容量可以三倍于普通锂离子电池，锂空气电池的开发其实主要面对的是电动汽车，目前的动力锂电池的能量密度在160wh/kg左右，下一代锂电池的能量密度希望做到250wh/kg左右，锂空气电池实验室理论研究宣称能量密度能达3500wh/kg。
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锂空气电池原理
锂空气电池原理
锂空气电池是一种新型的电池技术，它的原理是利用空气中的氧气与锂金属反应产生电能。
锂空气电池的优点是能量密度高，理论上可以达到每公斤1000瓦时以上，比目前市场上的锂离子电池高出数倍。
同时，锂空气电池还具有环保、安全等优点，因此备受关注。
锂空气电池的工作原理是将锂金属作为负极，空气中的氧气作为正极，通过电解质将两者隔离。
当电池工作时，锂金属会释放出电子，形成锂离子，同时氧气会与锂离子反应，形成氧化锂。
这个反应过程会释放出电子，形成电流，从而产生电能。
锂空气电池的优点在于其能量密度高，这意味着它可以储存更多的电能，从而提供更长的使用时间。
同时，锂空气电池还具有环保、安全等优点。
由于其正极是空气中的氧气，因此不需要使用有害的化学物质，对环境没有污染。
此外，锂空气电池的负极是锂金属，而不是锂离子，因此不会出现锂离子电池中的热失控等安全问题。
然而，锂空气电池也存在一些问题。
首先，锂空气电池的实际能量密度远低于理论值，目前只有锂离子电池的一半左右。
其次，锂空气电池的寿命较短，需要经常更换。
此外，锂空气电池的充电速度较慢，需要较长时间才能充满。
总的来说，锂空气电池是一种具有潜力的电池技术，具有高能量密度、环保、安全等优点。
随着技术的不断发展，相信锂空气电池将
会在未来得到更广泛的应用。
锂空气电池的工作原理
锂空气电池的工作原理1. 介绍锂空气电池的结构锂空气电池的结构主要包括锂阳极、氧气阴极、电解质和隔膜等部分。
锂阳极和氧气阴极之间通过电解质和隔膜隔开，以防止两者直接接触而发生短路或者其他问题。
（1）锂阳极锂空气电池的阳极通常由锂合金或者锂离子构成，这种材料具有高能量密度和低电位的特点，适合作为锂空气电池的阳极材料。
锂合金或者锂离子在放电过程中会脱除电子并向电解质中的阴极迁移，同时释放出电能。
（2）氧气阴极锂空气电池的阴极使用空气，因此被称为氧气阴极。
当电池处于放电状态时，氧气会与电解质中的阳离子发生氧化还原反应，从而释放出电能。
在充电状态时，氧气则被用来氧化阳离子并储存电能。
（3）电解质和隔膜电解质和隔膜在锂空气电池中起着重要的隔离作用，它们既能保护阳极和阴极不直接接触，又可以让阳离子和阴离子进行传输和交换。
同时，电解质要具有高离子导电性和化学稳定性，以保证电池的正常运行。
2. 锂空气电池的工作过程锂空气电池在放电和充电状态下存在不同的工作过程，下面将分别介绍这两个状态下的工作过程。
（1）放电状态在锂空气电池的放电状态下，锂合金或者锂离子会脱除电子，向电解质中的阴极迁移。
与此同时，氧气会与电解质中的阳离子发生氧化还原反应，释放出电能。
这个过程可以用以下方程式描述：阴极：O2 + 4e- + 4Li+ → 2Li2O阳极：2Li → 2Li+ + 2e-整体反应：2Li + O2 → 2Li2O这个氧化还原反应产生的电能可以被外部电路所捕获，并用于驱动电子设备或者储存起来。
（2）充电状态在锂空气电池的充电状态下，相反的反应过程会发生。
通过外部电源提供电能，并通过将氧气还原为氧化物并将锂离子还原为金属锂的反应，将电能储存起来。
反应可以用以下方程式描述：阴极：2Li2O → O2 + 4Li+ + 4e-阳极：2Li+ + 2e- → 2Li整体反应：2Li2O + 4Li → 4Li2O这个循环过程使得电池能够在放电和充电状态之间切换，并实现对电能的储存和释放。
锂空气电池关键科学问题及解决方案
锂空气电池关键科学问题及解决方案下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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Discharge curve
Courtesy of Dr. Mark Salomon, Max Power Inc. USA
The lithium‐air battery (aqueous electrolyte)
Protected anode design
Remaining issues: mechanical stability of the protecting film, high interfacial resistance, solubility of the reaction products...
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Li/Air Batteries: Performance & Capacity
charge: (Li2O2)solid 0.5 O2 + 2 Li+ + 2 e‐
Erev 2.96 V
discharge: 0.5 O2 + 2 Li+ + 2 e‐ (Li2O2)solid
A. Débart, A.J. Paterson, J. Bao, P.G. Bruce; Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008) 4521
Intercalation materials
Carbon anodes
High capacity cathodes
Super‐ Battery <200kg/500km Li/S, Li/O2
"0V" High capacity
250
500
750
1000 1250 1500 1750
Capacity / Ah kg‐1 Courtesy of Dr. S.Passerini, Muenster University, Germany
Super‐ Battery
< 200kg
200 Wh/kg*
Estimated limit of Lithium‐Ion Technology
170 Wh/kg*
140 Wh/kg*
Li‐ion Batteries
Present 2012 2017
Year
Courtesy of Dr. Stefano Passerini, Munster University, Germany
Courtesy of Prof O.Yamamoto, Mie University, Japan
15
The lithium-air battery
Fuminori Mizuno, Scalable Energy Storage Beyond Lithium Battery: Materials Perspectives Symp., ONRL, Oct 2010
The “holy grail of batteries” !
BUT : still a long way to go, many issues to be addressed Sensitive to humidity, very low rate discharge, choice of catalyst, reactivity of the lithium metal electrode, …….
catalysts may affect also capacity via product distribution (LiO2, Li2O2, Li2O)
The lithium-air battery
ORR process in a lithium air cells
Courtesy of Dr. Y. Shao-Horn and H.A. Gasteiger, MIT, Cambridge, USA
Issues: high voltage hysteresis loop, limited cycle life, stability of the organic electrolytes, reactivity of the lithium metal anode…..
Courtesy of Prof O.Yamamoto, Mie University, Japan
The lithium‐air battery (organic electrolyte)
Unprotected electrode design
Lithium-air battery with unprotected lithium metal anode (non aqueous electrolyte) Li + ½ O2 ½ Li2O2 Theor. energy density (oxygen only) : 11,420 Wh/kg
The lithium-air battery Potentiodynamic Cycling (PCGA)
Lithium superoxide formation Lithium peroxide formation Lithium oxide formation
Reaction mechanism
2
The lithium-air battery Target setting value
Difficult by 材料的に困難 material
Voltage (V) 電池作動電 圧 （V）
500Wh/kg 以上
over
4V, 150Ah/kg
Technically 技術的に可能 possible
A.Debart, A.J. Peterson, J.Bao, P.G.Bruce, Angewandte Chemie, 120 (2008) 4597
17
The lithium-air battery (organic electrolyte)
Usign Organic electrolytes
8
The lithium-air battery Potential store 5-10 times more energy than today best systems Two battery versions under investigation
Lithium-air battery with protected lithium metal anode and/or protected cathode (aqueous electrolyte) 2Li + ½ O2 + H2O 2LiOH Theor. energy density : 5,800 Wh/kg Lithium-air battery with unprotected lithium metal anode (non aqueous electrolyte) Li + ½ O2 ½ Li2O2 Theor. energy density : 11,420 Wh/kg
Present Lithium Ion technology (C-LiCoO2): Theor energy density: 420 Wh/kg
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The lithium-air battery
Protected anode design (aqueous electrolyte)
Mainly primary
higher capacity cathodes needed:
Li/air
J.‐M. Tarascon & M. Armand, Nature 414 (2001) 359
projected specific energy for Li‐Air cathodes ?
The lithium-air battery
Capacity (Ah / kg or Ah / L)L） 電 気容量（Ah/ kg または、Ａｈ/
The lithium-air battery
Revolutionary Technology‐ Change
>500 Wh/kg
Electric Vehicle - The energy issue
ORR process in a fuel cell
Courtesy of Dr. Y. Shao-Horn and H.A. Gasteiger, MIT, Cambridge, USA
The lithium-air battery
Protected anode design (aqueous electrolyte)
The lithium-air battery
The lithium-air battery
Developing companies: IBM, Excellatron,Liox Power, Lithion Yardney , Poly Plus, Rayovac, Max Power, … and many more Research: AIST Japan, St.Andrews, UK: Michigan State University, USA; Mie University, Japan; Brookhaven Natl. Laboratory, USA; Argonne Laboratories,USA; University of Dayton Research Institute, USA; University Picardie Amiens, France; Technical University Munich, Germany; Muenster University, Germany; Technion, Israel,….
Li‐Ion Batteries for Vehicles: Challenges
specific energy [Wh/kg] largely limited by intercalation cathode durability/safety needs further lower Wh/kg: ‐ low depth of charge/discharge ‐ low‐potential cathodes (LiFePO4) ‐ high‐potential anodes (Ti‐oxides)