锂空气电池的工作原理及发展前景

锂空气电池，更准确的称呼应该是锂氧电池（Li-O2），它是一种基于金属与空气化学能转换电能的电池。在这种电化学型的电池由诱导的氧化锂的阳极和氧气阴极组成。

我将以NatureMaterials上综述文章为主体，加上我自己的一些理解为您解答。原文《Li–O2andLi–Sbatterieswithhighenergystorage》如果有兴趣可以去看看这篇文章，写得很不错。

至于你说生产什么的，这还只是一个概念，这些东西还只是可能实现，就在这里不论了。

一、概述

锂空气电池，更准确的称呼应该是锂氧电池（Li-O2），它是一种基于金属与空气化学能转换电能的电池。在这种电化学型的电池由诱导的氧化锂的阳极和氧气阴极组成。电极反应总式分为含水电解质反应和无水电解质反应如下图（包括各类锂电池放点图示）：

以及比容量图示（锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池对比）：

很明显，锂氧和锂硫电池的比容量明显高于锂电池这是由于用于锂氧电池的Li2O2和LiOH在锂电池的质量分数远大于LiCoO2。

下图是描述用各种电池驱动汽车的行进的里程，蓝色代表已经实现，褐色代表正在进行生产研究中，红色代表(R&D=research&development）科学研究中。下面的横条表示的是各种电池每千瓦时需要花费的钱。

这里面锂电池160km的数值是有由NissanLeaf给出的，而锂氧的550km是根据SionPower关于锂硫电池的数据推导出来的。

二、化学反应

对于含水电解液和不含水电解液，放电时反应都一样，Li→Li+，正极的金属锂氧化释放锂离子至电解液，充电时则相反。在正极，氧气进入阴极的多孔材料，融入孔洞的电解液中并和表面接触发生还原反应。在这里就要区分含水电解液和不含水电解液了，在不含水电解液中O2形成O2（2-）[小括号表示得到电子]，并和Li+形成Li2O2（最终产物），在含水电解液中Li2O2进一步反应生成LiOH。[也有些作者称可以得到Li2O，这可以提高容量，但这不利于充电反应进行，后面还会说到]

下面对无水电解质和含水电解质分开来说：

1、无水电解质

隔膜需要满足条件：隔绝空气中的CO2和H2O防止其反应生成LiOH和LiCO3使反应不可逆。

电解液（现在研究的比较多）非水性锂空气电池的电解液主要作为传导离子、传输氧气的载体，其性能需要满足如下基本条件：

（1）在充放电过程中，具有较高的稳定性。

（2）具有高的氧气溶解性和氧气扩散系数（较低

的粘度）；

（3）具有低的吸水性和挥发性；

（4）具有高的离子传导性；

（5）具有合适的接触角（电解液与碳表面）。

参考锂离子电池电解液（一般研究还是主要为LiPF6inEC：DEC=1:1），其余的诸如GC(glass-ceramic)材料与PC(polymer-ceramic)材料制成的层状织膜固体聚合物电解质，LiTFSI-PMMITFSI–silica–PVdF-HFP等等有兴趣可以google学术下。

2、含水电解质

虽然非水性电解液解决了水与负极锂副反应的产生，然而其反应产物Li2O2不溶于电解液，逐步堵塞正极的孔隙，减少反应界面面积，阻碍反应物扩散至反应界面，从而阻止反应的进一步进行，使实际获得的比容量低于其理论值，同时还导致锂空电池循环性能较差等不良结果。一些科学家提出含水电解液。它的理论密度低于无水型电解质但实际实验暂高。

电解液：目前试验常见的电解液为LiOH和CH3COOH溶液。

两者共同：

正极主要由多孔碳材料、催化剂和粘结剂组成。总的来说，其正极应满足以下基本条件：

(1)碳材料具有足够高的活性表面区域

(2)碳材料具有合适的孔隙尺寸和足够高的孔隙率；

(3)催化剂对于氧气还原具有较好的催化活性；

(4)粘结剂具有较好的特性。

负极材料研究：负极锂保护膜的研究。防止其与O2和CO2反应生成副产物，对于有水体系可能更需要注意，正极侧水性电解液中的水分对于负极锂来说威胁较大，不过要是以后用于研究，这个也是必须要面临的问题。

催化剂研究见下图：

图中是首次恒流充电的比容量和电压关系图。可以明显的看到各种催化剂的效果。

可应用领域

电池怎么用他怎么用。

未来发展前景

锂空气电池技术需要解决的问题主要有：防止使用两种电解液的隔膜慢性渗漏；提高有机电解液的可使用温度；找到可取代目前使用的金和白金触媒剂；更换锂燃料时，如何防止水气侵入引起爆炸；如何循环未用完的锂和氢氧化锂；如何降低循环氢氧化锂的能耗。

对于他的发展我个人持保留意见，觉得研究的噱头大于实际。现在研究这个的很多组，大部分是从燃料电池转行去的，把燃料电池的一些东西放上去，直接往一次电池上面做，然后锂枝晶的问题怎么解决，更别提往二次上面去做了，主要是为了那科研经费吧。往生产实际上说，其实很多组还杂用Pt作为催化剂，电解液的挥发与污染还没有很好的解决，现在大部分还在做基础研究，要应用和生产可能是十几年或者几十年的东西，远没有锂离子电池的各项研究实际

当然也有国外的很多企业和研究者在做这个事。蓝色巨人计划利用纳米隔膜开发水纯净系统，以便将空气中的氧气与水等物质隔离开来。IBM的纳米结构经验还可以让它将电池中的氧分配到每个电池单元中去，由此防止堵塞。超级计算机则可以进行建模方面的研究，使单个原子能够通过电池中纳米隔膜。