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空气锂离子电池的工作原理

导读: 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。

作者:饶江宇

  我将以Nature Materials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–O2 and Li–S batteries with high energy storage》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):

  空气锂离子电池的工作原理

  以及比容量图示(锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池对比):

  空气锂离子电池的工作原理

  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。

  空气锂离子电池的工作原理

  这里面锂电池160km的数值是有由Nissan Leaf给出的,而锂氧的550km是根据Sion Power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

  空气锂离子电池的工作原理

  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LiPF6 in EC: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。

空气锂离子电池的工作原理

  电解液:目前试验常见的电解液为 LiOH 和 CH3COOH 溶液。

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责任编辑:Flora
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