鋰空氣電池

簡介

鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。

放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+)，Li+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2)，并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91 V。

鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。理論上，由于氧氣作為陰極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質量)，或11.14kWh/kg(不包括氧氣)。相對與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能(見下表)[1]，因此，它非常有吸引力。不過，鋰空氣電池仍在開發(fā)中，市場上還買不到。

設計

日本產業(yè)技術綜合研究所發(fā)布的鋰空氣電池的設計構思是，只在金屬鋰的負極使用有機電解液，正極的空氣級使用水性電解液。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用。

如果在負極的有機電解液和空氣極的水性電解液之間，用只能通過鋰離子的固體電解質隔開的話，可防止兩電解液發(fā)生混合，而且能促進電池發(fā)生反應。這樣，能夠防止正極的固體反應生成物——氧化鋰(Li2O)析出。

該電池通過放電反應生成的不是固體氧化鋰(Li2O)，而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰(LiOH)，這樣就不會引起空氣極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質隔膜，因此不存在和負極的鋰金屬發(fā)生反應的危險。此外，配置了充電專用的正極，可防止充電時空氣極發(fā)生腐蝕和劣化。

負極采用金屬鋰條，負極的電解液采用含有鋰鹽的有機電解液。中間設有用于隔開正極和負極的鋰離子固體電解質。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合。

放電時電極反應如下:

(1)負極反應(Li→Li++e-)

金屬鋰以鋰離子(Li+)的形式溶于有機電解液，電子供應給導線。溶解的鋰離子(Li+)穿過固體電解質移到正極的水性電解液中。

(2)正極反應(O2+2H2O+4e-→4OH-)

通過導線供應電子，空氣中的氧氣和水在微細化碳表面發(fā)生反應后生成氫氧根離子(OH-)。在正極的水性電解液中與鋰離子(Li+)結合生成水溶性的氫氧化鋰(LiOH)。

充電時電極反應如下:

(1)負極反應(Li++e-→Li)

通過導線供應電子，鋰離子(Li+)由正極的水性電解液穿過固體電解質到達負極表面，在負極表面發(fā)生反應生成金屬鋰。

(2)正極反應(4OH-→O2+2H2O+4e-)

反應生成氧。產生的電子供應給導線。

使用了此次新開發(fā)的堿性水性電解質凝膠的鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，放電容量約為9000mAh/g。另外，充電容量也約達到9600mAh/g。與此前報道的原鋰空氣電池的容量(700～3000mAh/g)相比，放電容量大幅提高。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠后，在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，可連續(xù)放電20天，放電容量約為50000mAh/g。

新的鋰空氣電池沒電時也無需充電，只需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。這是一種新型燃料電池，名為“金屬鋰燃料電池”。理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰(LiOH)，很容易重新生成金屬鋰，可作為燃料進行再利用。