锂空气电池和锂硫电池被认为是最具开展潜力的新一代锂电池

当下锂离子电池研讨热门首要是环绕锂空气电池和锂硫电池打开，二者被认为是最具开展潜力的新一代锂电池。它们与以往锂离子电池正极资料在结构和反响机理上都有很大区别

1.锂空气电池

锂空气电池是金属空气电池中的一种，因为运用分子量最低的锂金属作为活性物质，其理论比能量十分高。不计算氧气质量的话，为11140Wh/kg，实践上可利用的能量密度也可达1700Wh/kg，远高于其它电池系统。锂空气电池的基本结构和作业机理如下图所示。

锂空气电池按运用的电解液的状况不同，首要可分为水系统、有机系统、水-有机混合系统以及全固态锂空气电池。在有机系统锂空气电池作业时，原料O2经过多孔空气电极进入电池内部，在电极外表被催化成O2-或许O22-，接着与电解质中的Li+结合，生成过氧化锂（Li2O2）或氧化锂（Li2O），产品沉积在空气电极外表。当空气电极中的所有的空气孔道都被产品堵塞后，电池放电终止。其电极反响如下所示：

正极：O2+2e-+2Li+?Li2O2；O2+4e-+4Li+?2Li2O

负极：Li?Li++e-

总反响：2Li+O2?Li2O2(2.96V)；4Li+O2?2Li2O(2.91V)

锂空气电池有着不行比较的超高能量密度、环境友好以及价格低价等优势，但其研讨尚属初级阶段，存在十分多扎手的问题，首要有：

（1）正极反响需求催化剂。放电进程中，在没有催化剂存在的情况下，氧气还原十分慢；充电进程中，电压渠道为4V左右，容易形成电解液的分解等副反响。需求运用恰当催化剂来帮助电池反响。

（2）锂空气电池是敞开系统，会引发诸如电解液蒸发、电解液氧化、空气中的水分和CO2与金属锂反响等一系列丧命问题。

（3）空气电极孔道堵塞问题。放电生成不溶于电解液的Li2O和Li2O2会堆积在空气电极中，堵塞空气孔道，导致空气电极失活、放电终止。

综上所述，锂空气电池中存在许多问题亟待解决：包括氧气还原反响的催化、空气电极透氧疏水性、空气电极失活等。虽然锂空气电池取得了一些前进，但要真正运用还有很长一段路要走。

2.锂硫电池

锂硫电池研讨最早起源于上世纪70年代，但是一直以来锂硫电池的实践容量不高、衰减严峻，并未受到重视。2009年，LindaF.Nazar课题组报导了硫碳复合物作为锂硫电池正极资料获得较好的循环性和十分高的放电容量，掀起了锂硫电池研讨的热潮。锂硫电池首要运用单质硫或硫基化合物为电池正极资料，负极首要运用金属锂，其电池结构如图所示。

其间以正极资料为单质硫（首要以S8环形态存在）计算，其理论比容量为1675mAh/g，理论放电电压为2.287V，理论能量密度为2600Wh/kg。充放电时，电极反响如下所示：

正极：S8(s)+2e-+2Li+?Li2S8；

Li2S8+2e-+2Li+?2Li2S4；

Li2S4+2e-+2Li+?2Li2S2(s)；

Li2S2(s)+2e-+2Li+?2Li2S(s)

负极：Li?Li++e-

总反响：S8(s)+16e-+16Li+?8Li2S(s)

锂硫电池中，正极资料的反响是一个多电子、多步骤的逐级反响

以硫放电进程为例，简单可以分为两个阶段，首先固态单质硫S8与Li+生成液态的Li2S8，跟着放电程度的深化会经过可溶性Li2S6最终生成可溶性Li2S4，对应电压渠道2.4V-2.1V，此进程因为有液态物质的生成，反响速度较快。接着跟着进一步的放电，在2.1V电压渠道处，可溶性Li2S4转化成不溶性的固相Li2S2，最后再进一步生成终产品固相的Li2S，因为这一阶段中固体开始生成，使得离子扩散变慢，所以反响速度较缓。不同于传统的锂离子电池资料，锂硫电池充放电时单质硫和硫化锂中心经过多硫化锂Li2Sx（x=2-8）而并不是经过锂离子在正极资料和负极资料之间的往返嵌入和脱嵌来完成充放电的，因此锂硫电池功能受正极资料的锂离子脱嵌才能影响小。

锂硫电池的优势十分显着：具有十分高的理论容量；资料中没有氧，不会发生析氧反响，因此安全功能好；硫资源丰富且单质硫价格极其低价；对环境友好，毒性小。但锂硫电池真正运用还面临着一些问题，首要包括：

（1）导电性和导锂性差：单质硫中硫分子是以8个S相连组成冠状的S8，属于典型的电子、离子绝缘体，其室温下电导率仅为5×10-30S/cm。而且产品Li2S2和Li2S也都是电子绝缘体。因此活性物质的利用率不高、倍率功能不佳。现在首要经过制备小尺度的硫碳复合资料来解决锂硫电池正极资料的导电性和导锂性问题。

（2）多硫化锂穿梭效应：在锂硫电池充放电进程中，长链多硫化锂Li2Sx（4电池的活性物质自放电，形成资料库仑效率不高。

（3）体积胀大问题：硫在完全充电转化为硫化锂时，体积胀大达76%，容易引起正极资料的结构被破坏，影响活性物质的稳定性，形成容量衰减。

（4）金属锂负极：因为硫本身不含锂原子，所以有必要运用金属锂单质作为负极资料，但这样一来就不行避免会发生锂金属的枝晶问题，带来安全隐患。

虽然锂硫电池还存在着一些问题，近些年跟着对锂硫电池研讨的深化，经过减小硫颗粒尺度、对硫资料进行包覆、制备硫碳复合资料、对多硫化锂吸附、改善电解液等多种办法，在进步硫资料的容量和循环性方面取得了许多前进。

在过去的三十多年中，锂电池阅历了快速开展，其间以锂离子电池为代表的二次电池系统成为了各种小型便携电子设备的动力来源，极大的推动了电子产品的开展，使得智能手机、平板电脑、数码照相机、笔记本电脑等便携设备得以广泛普及。跟着社会的不断开展，二次电池在大型电驱动设备中的需求与日俱增，但是锂离子电池中正极资料的理论比容量极限值偏低，在大型电驱动设备的供电系统中显得绰绰有余。锂空气电池和锂硫电池作为新一代二次电池系统，具有十分高的理论比容量值，受到研讨者和二次电池商场的热切重视，但是现在锂空气电池和锂硫电池研讨还处于研制阶段，除了电池正极资料的比容量和稳定性需求进一步进步外，电池安全性等关键问题也亟待解决。对于锂电池正极资料作业原理的认识，有助于把握此类电池研讨的核心问题，掌握电池正极资料的开展动态。