锂空气电池的机遇与挑战
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。
2023年锂空气电池行业市场前景分析
2023年锂空气电池行业市场前景分析近年来，随着人们对环境问题的重视以及对可再生能源的需求不断增加，锂空气电池作为一种新兴的电池技术，备受瞩目。
锂空气电池以其高能量密度、轻量化、环保等特点，被广泛应用于电动汽车、无人机、移动设备等领域。
本文将分析锂空气电池行业的市场前景。
一、市场规模目前，锂空气电池市场处于初级阶段，尚未大规模应用。
不过，在全球范围内，锂空气电池市场正在迅速成长。
根据市场研究公司Grand View Research发布的报告，2019年全球锂空气电池市场规模为2.53亿元，预计到2025年将达到309.3亿元，年复合增长率高达57.5%。
二、应用领域1. 电动汽车锂空气电池以其高能量密度、轻量化、环保等特点，成为电动汽车领域的热门选择。
据IEA预测，到2030年，电动汽车将占到全球乘用车市场的30%。
随着电动汽车领域的发展，锂空气电池的应用前景将更加广阔。
2. 无人机锂空气电池在无人机领域的应用也备受追捧。
无人机带来了很多新的应用场景，随着无人机技术的不断发展和成熟，对电池技术的需求也不断增长。
锂空气电池以其高能量密度和轻量化特点，为无人机提供更加持久的续航能力和更长的航程。
3. 移动设备移动设备领域也是锂空气电池的潜在应用领域之一。
现代人离不开手机、平板等移动设备，而随着这些设备功能的不断增强和使用时间的延长，对电池性能的要求也越来越高。
锂空气电池以其高能量密度和轻量化特点，能够为移动设备提供更加持久的续航能力，更加便携和环保。
三、发展趋势1. 资源利用率的提高锂空气电池的主要成分为锂和空气，其资源利用率将直接影响锂空气电池的商业化前景。
目前，锂空气电池的资源利用率较低，需要在材料制备、设计和制造等方面进行深入研究和探索，以提高锂空气电池的资源利用率。
2. 技术升级的加速随着科技的进步与发展，锂空气电池的技术将会越来越成熟和完善。
更加高效、安全、可靠的锂空气电池将会不断涌现，以满足市场的需求。
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。
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。
锂离子电池技术的发展和应用展望
锂离子电池技术的发展和应用展望近年来，随着移动设备和电动车的普及，锂离子电池作为一种高性能、高能量密度的电池技术，逐渐成为主导市场的能源存储装置。
锂离子电池技术的不断发展和应用推动了现代科技的进步，同时也面临着一些挑战和机遇。
首先，让我们回顾一下锂离子电池技术的发展历程。
锂离子电池最初于20世纪70年代开始研发，但由于材料限制和安全性问题等原因，其商业化应用一直受到限制。
然而，随着钴酸锂正极材料的引入，锂离子电池的能量密度大幅提高，逐渐取代了镍氢电池等其他电池技术。
此后，随着科技的不断进步，石墨负极材料被改良，锂金属负极材料被应用，锂离子电池的性能和循环寿命大幅度提升。
此外，锂离子电池的快速充放电性能也得到了极大的提高，使其在电动车和可穿戴设备等领域得到了广泛应用。
未来，锂离子电池技术的发展将朝着更高能量密度、更长循环寿命和更安全的方向发展。
新型正极材料的研发是提高能量密度的关键所在。
如今，已经有一些新型正极材料，如钠离子电池和锂硫电池，正在得到广泛研究和开发。
钠离子电池具有较低的成本和较高的资源可持续性，而锂硫电池具有更高的理论能量密度，可以提供更长的续航里程。
这些新型正极材料有望在未来的能源存储领域实现突破。
另外，循环寿命的提升也是锂离子电池技术发展的关键方向。
随着锂离子电池的循环次数增加，其性能会逐渐下降，甚至出现容量衰退和安全性问题。
因此，在材料和电池结构方面的改进是提高循环寿命的重要手段。
例如，采用新型电解液和离子传输介质可以提高锂离子电池的电荷传输速率和循环寿命。
此外，锂离子电池技术在能源存储中的应用也将进一步扩展。
除了移动设备和电动车市场，锂离子电池在储能电站、家庭能源储备和可再生能源利用等领域有着巨大的潜力。
这些领域的发展将进一步推动锂离子电池技术的创新。
尽管锂离子电池技术在能源存储领域取得了巨大的成就，但也面临一些挑战。
首先，材料资源的限制可能会对锂离子电池的大规模应用造成困扰。
锂离子电池的发展趋势及其挑战
锂离子电池的发展趋势及其挑战随着信息技术和智能设备的快速发展，锂离子电池取得了广泛的应用，成为了移动电子设备、电动汽车以及能源储存系统的首选。
作为新能源技术的代表之一，锂离子电池的发展趋势备受关注。
同时，锂离子电池也遭遇着一些挑战，需要寻找更好的解决方案。
本文将从锂离子电池的发展趋势以及挑战两个方面进行探讨。
一、锂离子电池的发展趋势1. 高能量密度高能量密度是锂离子电池未来的重要发展方向之一。
随着人们对电动汽车、飞行器等高需求场景的不断涌现，锂离子电池不断提高能量密度成为必然趋势。
高能量密度意味着电池能够储存更多的电量，在同样大小、重量的情况下，使用时间和续航距离都得到了大幅提升。
在实现高能量密度的同时，还需要保证电池的安全性、稳定性等问题，这需要不断探索和研究。
2. 长寿命除能量密度外，锂离子电池的寿命也是一个重要指标。
随着人们对电池使用寿命的要求越来越高，如何提高锂离子电池的寿命成为一个重要话题。
目前，传统锂离子电池一般寿命在3-5年，需要不断更换，给用户带来一定的经济负担。
为解决这一问题，一些新型电池技术如锰酸锂、磷酸铁锂等被研究和开发出来，通过改变电池化学组成、改进制造工艺等方式，延长电池的使用寿命。
3. 超快充电随着人们对电量密度和电池寿命的追求，快充技术也已经成为了一种重要发展趋势。
目前，锂离子电池充电需要数小时的时间，在信息时代，这已经成为了限制移动电子设备、电动汽车发展的制约因素之一。
越来越多的研究机构和企业致力于探索快充技术，通过改变电池结构、电解液、电极材料等方式，实现了一些超快充电技术。
如Tianjin Lishen公司推出的高倍率充电技术，能够将电池充电时间从60分钟缩短至20分钟。
二、锂离子电池面临的挑战1. 安全问题锂离子电池在使用过程中，如果电池内部温度过高，会导致电池热失控，产生火灾、爆炸等严重安全问题。
尤其是电动汽车、飞行器等场景，一旦电池热失控会给人们生命财产带来严重损失。
锂离子电池在动力电池领域的优势与挑战
锂离子电池在动力电池领域的优势与挑战随着电动汽车的普及和需求的增长，动力电池作为电动汽车的重要组成部分，逐渐受到了广泛的关注。
锂离子电池作为其中最常用的一种电池，具有其独特的优势和挑战。
本文将从多个方面探讨锂离子电池在动力电池领域中的优势和挑战。
一、优势1. 高能量密度锂离子电池相比其他类型的电池，如铅酸电池和镍氢电池，具有更高的能量密度。
这使得锂离子电池能够在相对较小的空间内存储更多的能量，提供更长的续航里程，满足电动汽车用户对里程的需求。
高能量密度也使得锂离子电池在其他领域，如移动设备和储能系统中表现出色。
2. 高充放电效率锂离子电池具有较高的充放电效率，能够更好地转化电能和储存电能。
相比之下，其他类型的电池，如铅酸电池和镍镉电池，在充放电过程中会有一定的能量损失。
高充放电效率使得锂离子电池不仅在电动汽车中具有优势，而且在其他应用场景中也更加受欢迎。
3. 长周期寿命锂离子电池具有较长的周期寿命，能够进行数千次的充放电循环。
这使得锂离子电池在实际使用中具有较长的使用寿命，减少了维护和更换电池的成本。
长周期寿命也使得锂离子电池在可再生能源存储系统等长期需求场景中具备优势。
二、挑战1. 安全性问题锂离子电池在充放电过程中可能会出现过热、短路、起火等安全问题。
这主要是由于锂离子电池中使用的液态电解质和电极材料的特性所致。
为了解决这一问题，需要采取严格的设计和制造标准，以及安全保护措施，如温度传感器、电流限制器和熔丝等。
2. 成本问题目前，锂离子电池的生产成本相对较高，主要是由于其包括锂、钴、镍等稀有金属资源的成本较高，以及细分市场规模的制约。
随着电动汽车市场的发展和技术的不断进步，锂离子电池的成本有望逐步降低，但仍然是其应用发展中的一个挑战。
3. 能量密度提升尽管锂离子电池的能量密度相对较高，但在实际应用中，仍然需要不断提升其能量密度，以满足电动汽车用户对更长续航里程的需求。
这需要在材料研究和电池结构设计上不断进行创新，以提高锂离子电池的能量密度和性能。
抑制电极间传质串扰,大幅提升锂空气电池能量效率和循环稳定性
【研究背景】由于超高的能量密度，锂空气电池被认为是最有前景的电化学储能技术之一，但目前它还面临着循环寿命、倍率性能和能量效率等性能不理想的挑战。
由于锂空气电池放电产物为固相，与电极、电解液之间的三相界面动态变化，且充电极化（~1200mV）远大于放电极化（~300mV），因此大多数研究者认为电池性能不理想的原因主要在于OER动力学性能不佳，这一观念随着各类OER催化剂对电池性能的改善而得到强化。
然而经过十多年的发展，锂空气电池的综合性能仍与实用化需求存在相当大的差距，特别是能量效率和循环寿命。
为进一步提升其性能，有必要重新审视系统中可能被忽略的影响因素。
除了电极材料自身，正负极之间的传质串扰也可能对电池性能产生重大影响，例如锂离子电池中的锰溶解问题和锂硫电池中的多硫化物穿梭问题。
由于正极中间产物（O2-·等活性氧物种，ROS）的可溶性和金属锂负极的高反应活性，这一因素在锂空气电池中可能更为重要，但在过去未得到研究者的重视。
【工作介绍】近日，中科院宁波材料所刘子萱副研究员与江汉大学王德宇教授、中科院物理所李泓研究员合作，通过抑制电极间传质串扰，大幅提升了锂空气电池的能量效率和循环寿命。
通过加入Li+过滤膜（TLL），有效抑制了金属锂电极表面副反应造成的电极钝化，以及溶剂/液相催化剂（RM）损耗。
采用Li+过滤膜和液相催化剂{3[4-(二乙胺基)苯基]胺，TDPA}的电池稳定循环1500周（500mAh·g-1定容），同时将能量效率提升至94.1%，为目前报道的最高值，充分显示出抑制电极间传质串扰对电池性能的重要影响。
该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上，林欢为本文第一作者。
【内容表述】本文选取了团队此前开发的基于NiF2的Li+过滤膜TLL（Nano Energy2017，39：662-672）用以隔离正负极；同时选取了低电位的TDPA作为液相催化剂，以对比电极间传质串扰和正极OER动力学性能对电池性能的影响。
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(
)
RC 2F
Li+
O2
Anode
Membrane
Cathode
The electrochemical reaction rate equation at cathode: 0 .5 F 0.5 F RC ( x ) = κε ( x )cO2 ( x )exp η − exp − η RT RT
?
价格
高
低-中
低-中
中
低
寿命
20年 维护 功率密度 价格 燃料
5,000 周期 10年
800,000周期 (5%放电的深度) 周期寿命 安全 放电的深度
>100,000周期
<100
问题
周期寿命 安全 放电的深度
能量密度
Modified based on Prof. Bob Hebner’s (UT Austin) presentation
锂-空气电池的机遇与挑战
郑剑平
佛罗里达农工大学和佛罗里达州立大学 Florida A&M University and Florida State University 电机和计算机工程系 佛罗里达州立大学先进动力系统研究中心 Center for Advanced Power Systems (CAPS) Florida State University Tallahassee, FL 32310 Email: zheng@
2
0.6
Porosity
0.4
0.2
0 capacity 1/4 capacity 2/4 capacity 3/4 capacity 4/4 capacity
0.0 0.00
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00
Membrane side
0.02 0.04 0.06 0.08
Specific capacity (mAh/gC)
200
400
600
Specific capacity (mAh/gC)
650 µm-thick cathode
计算机模拟的能量与功率关系(Ragone Plot)
Cathode width=650 µm
放电过程的模拟
0.8
I = 0.1 mA/cm
Cathode width=650 µm
Distance (cm)
阻抗谱
6000 5000 4000
Before discharge After discharge Before discharge fit After discharge fit
1000
-Z" / Ω
750 500 250 0 0 250 500 7501000
空气电极的重要性
实验结果
3.5 3.0 2.5
理论模拟
2.8
Current = 0.1 mA/cm
2
Potential (V)
2.7
Voltage / V
2.0 219.2µm 1.5 1.0 0.5 0.0 65.5µm 19.7µm
Cathode width 33 µm 65 µm 100 µm 330 µm 650 µm 1000 µm 3300 µm
催化率的重要性
3.0 2.9
Potential (V)
2.8 2.7 2.6 2.5
Current = 0.1 mA/cm , k = 1.7x10 A/cm
2 -8 2
k 10 k 100 k 1000 k 4 10 k
2.4
0
200
400
600
800
1000
Specific capacity (mA h / g)
Z' / Ω
-Z" / Ω
3000 2000 1000 0
0
1000
2000
Z' / Ω
3000
4000
5000
6000
等效电路
氧气浓度的重要性
2.7 1200 Energy density (Wh/kg) 900 600 Specific capacity 300 0 I = 0.1 mA/cm 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
我们必须使用可替代可持续的绿色能源
2
未来电动车
• • • 太阳能电池板 家庭氢气产生和存贮系统或电 池能量存贮系统 燃料电池或电插入式车
生物燃料
3
未来的可再生的电能供应和管理系统 (FREEDM System)
• FREEDM是美国国家自然科学 基金支助的一个工程研究中心 • 五位主要负责人之一 •10年的经费合计3250万美元 展望： FREEDM系统是一个有效的电力 网络。它包括高度分布的和可 升级的各种能源和能源储备。 该系统将用来促进一个绿色能 源社会，缓和正在增长的能源 危机和减少碳排放所带来的对 环境的冲击。 FREEDM系统是未来能量互联网 的一个测试领域 FREEDM System: Future Renewable Electric Energy Delivery and Management Systems
Surface morphology
SWNT MWNT
CNF Buckypaper
Cross-section morphology
8
Ref: G.Q. Zhang, R.Y. Liang, J.P. Zheng, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, J. Electrochem. Soc. 157, A953 (2010).
Cathode width=650 µm
实现高能量密度锂-空气电池 具有非均匀催化作用的空气电极
e _ Load e + O2 O2 O2 O2 O2
Air side
Distance (cm) Concentration of O2 (x10 cm )
-3
I = 0.1 mA/cm
0 capacity 1/4 capacity 2/4 capacity 3/4 capacity 4/4 capacity
2
Concentration of Li (x10 cm )
2Li+O2=Li2O2
Ref: P. Andrei, J.P. Zheng, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, to be published in J. Electrochem. Soc. 2010
空气电极-碳纳米管纸
Advantages of using buckypaper • High electrical conductivity • Large surface area without micropore • High resistance to corrosion • Controllable microstructure • Maximum three-phase area
Ref: J.P. Zheng, R.Y. Liang, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, J. Electrochem. Soc. 155, A432-A437 (2008).
在锂-空气电池中的电化学过程
∂ (εc Li ) I ⋅ ∇t + 1− t+ = ∇ ⋅ (D Li ,eff ∇c Li ) − RC − Li ∂t F F
4
最先进的电能存贮和转换器件
燃料电池系统 先进的电池 (高能) 先进的电池 (高功率) 超电容器 锂-空气电池
能量密度 (Wh/kg) 功率密度 (KW/kg)
40-500
160-200
80-100
1-5
1500-2300
<0.1
0.3
1.5-3.5
10
<<0.1
效率
<0.40
0.95
0.9
0.95
Li+ diffusion flux
∂ (εc Li ) = ∂t ∇ ⋅ D Li ,eff ∇c Li
Li+
O2
O2 diffusion flux
∂ εcO2 ∂t
(
)
I ⋅ ∇t − − Li F
∂ (c Li ) = ∂t ∇ ⋅ (D Li ,eff ∇c Li )
(
)
= ∇ ⋅ DO2 ,eff ∇cO2 −
2010未来电动汽车高能电源研讨会 ， 2010年9月16日
能源需求与能源危机
核能 可再生的 热能 汽车
2006年美国能源消费图
• 全年美国能源消耗量=93.93千亿千瓦小时 • 汽车所用能量高于总电力能 • 仅4%是可再生的 （ 包括水力发电） • 需求在2030年之前预计增长60% • 对外国石油的依赖性 （ 安全性问题 ） • 石油的不可再生（ 能持续性问题） • 大量的二氧化碳排放 （ 全球性变暖问题）
2
1500
Energy density 2.6 1000 Specific capacity (mAh/gC) Power density (W/Kg)
Power density
2.5
500
0.6
2.4
0
Solubility factor
Cathode width=650 µm
氧气扩散率的重要性
4000 2.7 3000 Energy density (Wh/kg) Power density (W/Kg) 3000 I = 0.1 mA/cm 2500 2000 1500 1000 500 0 Specific capacity (mAh/gC)