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【干货】锂电的最终形态——锂空气电池

2016-12-27 14:05
FlappyBird
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如果说锂硫电池是替代锂离子电池的下一代锂电,那么锂空气电池将是锂电的最终形态。

从锂电诞生到应用才短短的几十年,然而电池产业已经逐渐替代化石能源。尤其是动力电源与3C设备对锂离子电池有着源源不断的需求。而目前的LiCoO2材料(理论比容量275mAh/g)始终制约着锂离子电池的发展和应用。目前商业发展中,Tesla和比亚迪作为电动汽车的领头行业,分别选择三元正极材料和LiFePO4为锂离子电池正极材料。但Tesla依旧使用松下制作提供的18650电芯,以上千个电芯组装电池包,为汽车提供动力。同样,LiFePO4 由于理论容量只有170mAh/g,且振实密度低,比亚迪所推出的汽车多数还是油电混合的过渡状态。2016年5月10日,比亚迪在投资者互动平台表示,公司未来的插电式混合动力汽车将尝试使用三元锂电池。广受追捧的iphone 6S也因1715mAh的电池饱受争议,而后期推出的iPhone 6s Smart Battery Case更是显现了苹果公司在电源部分的短板。

目前人们急需一种高性能的新型电池,2012年,牛津大学的Peter George Bruce教授在Nature发文提出新一代的高性能电池是锂硫电池和锂空气电池。如果说锂硫电池是替代锂离子电池的下一代锂电,那么锂空气电池将是锂电的最终形态。

锂空气电池原理

锂空气电池(Li-Air battery)正极为空气,负极为金属锂。传统商业化以LiCoO2为正极的锂离子电池的理论比容量为273.8mAh/g,能量密度为360 Wh/kg。而锂空气电池由于是一个开放体系,空气电极没有极限,因而理论容量大于其它封闭式电池。(以反应产物Li2O计算非水系能量密度为3505Wh/kg,水系以LiOH计算为3582Wh/kg,能量密度为LiCoO2电池的十倍左右)

锂空气电池电解液不同,具有不同的反应方程:

2Li+ + 2e– + O2→ Li2O2(非水系电解液)

2Li+ + 2e– + ? O2 + H2O →2LiOH(水系电解液)

注:非水系电解液以有机溶剂替代水溶解锂盐,本文以非水体系为主。

反应方程相比LiCoO2和Li-S都要简单,但反应过程中同样存在一系列副反应,副反应产物以LiOH和Li2(CO3)为主。为降低副产物,提高循环效率,研究人员多以纯氧O2环境反应,因此锂空气电池(Li-Air battery)也称之为锂氧电池(Li-O2 battery)。

图1:LiCoO2型锂离子电池与Li-O2 电池的反应机理图

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