鋰空氣電池使用氧氣作為陰極反應(yīng)物，金屬鋰作為陽極。它具有較高的理論能量密度（3500wh/kg），其實(shí)際能量密度可達(dá)到500-1000wh/kg，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池系統(tǒng)。鋰空氣電池由陰極、電解質(zhì)和陽極組成。在非水電池系統(tǒng)中，目前主要使用純氧作為反應(yīng)氣體，因此鋰空氣電池也可以稱為鋰氧電池。

1996年，Abraham等人在實(shí)驗(yàn)室成功組裝了第一個(gè)非水鋰空氣電池。隨后研究人員開始關(guān)注非水鋰空氣電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)和機(jī)理；2002年，Read等人發(fā)現(xiàn)鋰空氣電池的電化學(xué)性能取決于電解質(zhì)溶劑和空氣陰極材料；

2006年，小笠原等人使用質(zhì)譜儀首次證明Li2O2在充電過程中被氧化并釋放出氧氣，這證實(shí)了Li2O2的電化學(xué)可逆性。鋰空氣電池因此得到了廣泛的關(guān)注和快速發(fā)展。

 

鋰空氣電池組成及工作機(jī)理

由于金屬空氣電池的主要活性物質(zhì)氧氣來自大氣，因此不需要特殊的容器來儲存，從而減少了電池的整體質(zhì)量，從而使電池有足夠的空間來提供更多的能量。理論上，電池的容量僅取決于陽極金屬材料的容量。

然而，在大多數(shù)金屬陽極中，鋰金屬具有最輕的質(zhì)量（Mw=6.94 g mol-1，ρ=0.535 g cm-3）和-3.045 V的電負(fù)性（與標(biāo)準(zhǔn)氫電極的SHE電勢相比），鋰金屬的理論比容量為3860mAh/g，

基于該計(jì)算，鋰空氣電池的理論比能量密度為5200Wh/kg（考慮活性材料的氧質(zhì)量）或11400Wh/kg（通過排除活性材料的氧氣質(zhì)量計(jì)算），其比能量密度接近傳統(tǒng)汽油（約13200Wh/kg），約為傳統(tǒng)鋰離子二次電池的5至10倍。這都是理論上的。

 

鋰空氣電池的主要類型

鋰空氣電池，陰極是純金屬鋰片，其中含有大量催化劑空氣正極和電解質(zhì)。電解質(zhì)的類型不同，其工作過程也略有不同。

根據(jù)電解質(zhì)體系，鋰空氣電池主要分為有機(jī)電解質(zhì)液體（非水電解質(zhì)體系）、水電解質(zhì)體系、混合電解質(zhì)體系和全固體電解質(zhì)體系。

 

 

總體而言，鋰空氣電池可分為六類：有機(jī)系統(tǒng)、水性、離子液體系統(tǒng)、有機(jī)水性雙電解質(zhì)系統(tǒng)、全固態(tài)系統(tǒng)和鋰空氣超級電容器電池。

 

水性鋰空氣電池

水電解質(zhì)鋰空氣電池，電解質(zhì)是各種不同pH值的水溶液，在不同的酸性和堿性電解質(zhì)中，電池的化學(xué)反應(yīng)也不同。由于金屬鋰可以與水發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，因此有必要在金屬鋰的表面涂覆一層對水穩(wěn)定的鋰離子傳導(dǎo)膜，即NASICON型超級鋰離子傳導(dǎo)薄膜（LTAP）Li3M2（PO）4。然而，它在與鋰接觸時(shí)并不穩(wěn)定，反應(yīng)產(chǎn)物會增加兩者之間的界面阻抗。

水性鋰-空氣電池的概念較早提出，它不存在空氣電極反應(yīng)產(chǎn)物堵塞有機(jī)系統(tǒng)中空氣電極的問題，但鋰陽極的保護(hù)尚未得到很好的解決，包括LTAP在水溶液中的穩(wěn)定性，這仍然是該系統(tǒng)的研究方向。鋰金屬在含水電解質(zhì)中被嚴(yán)重腐蝕，自放電率特別高，使得電池周期和庫侖效率非常低。

 

 

有機(jī)鋰空氣電池

該系統(tǒng)使用鋰金屬作為陽極，氧氣作為陰極，聚丙烯腈（PAN）基聚合物作為電解質(zhì)（溶劑PC，EC），開路電壓（OCV）約為3V，比能量（不包括在電池殼中）為250-350Wh/kg。

由于使用有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)，解決了金屬鋰的腐蝕問題，并且電池表現(xiàn)出良好的充電和放電性能?？諝怆姌O由碳、粘合劑、非碳催化劑和溶劑制成，它們均勻混合并涂覆在金屬網(wǎng)上。

制備的空氣電極應(yīng)具有良好的電導(dǎo)率（>1S/cm）、離子電導(dǎo)率（>10~2S/cm）和氧擴(kuò)散系數(shù)。影響電池性能的最明顯因素是空氣電極的電極材料、氧還原機(jī)制和相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)。

在上述反應(yīng)產(chǎn)物中，只有過氧化鋰Li2O2的反應(yīng)是可逆的，換言之，研究人員需要盡最大努力提高反應(yīng)中過氧化鋰的比例，降低氧化鋰的比重，以實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的循環(huán)充放電能力。

對于具體決定產(chǎn)品類型的因素沒有一致意見。有些人認(rèn)為空氣電極的極化水平會影響過氧化物的比例，有些人認(rèn)為催化劑的影響更大，有些人則認(rèn)為電解質(zhì)材料起主要作用。

 

水-有機(jī)雙液系統(tǒng)鋰-空氣電池

水溶液是有機(jī)雙液體系鋰空氣電池的基本形式，電池中的陽極金屬鋰在有機(jī)電解質(zhì)中，陰極空氣電極一側(cè)的電解質(zhì)是KOH水溶液，中間由超級鋰離子導(dǎo)電玻璃膜（鋰超級離子導(dǎo)體玻璃膜，LISICON）隔開。

這種新型鋰空氣電池的新穎之處在于，無需擔(dān)心空氣電極反應(yīng)產(chǎn)物堵塞有機(jī)體系中電極的微孔，并且水相中的氧在空氣電極上被還原為水溶性LiOH。隔膜是該技術(shù)的關(guān)鍵部件，其耐堿性較差，其電阻與放電電流密度有關(guān)，這是該技術(shù)路線中令人不滿意的難點(diǎn)。

 

 

全固態(tài)鋰空氣電池

全固態(tài)鋰空氣電池，中間的電解液由3部分組成，中間層的玻璃陶瓷比例最大，具有良好的耐水性，在鋰陽極和氧陰極附近有兩層不同聚合物材料的薄層。

全固態(tài)鋰空氣電池沒有液體泄漏問題，安全性得到了提高。然而，固體電解質(zhì)與鋰陽極、空氣電極和固體電解質(zhì)的內(nèi)部之間的接觸將不如液體電解質(zhì)的接觸緊密，這可能導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加。與有機(jī)系統(tǒng)鋰空氣電池相比，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。

固態(tài)鋰空氣電池的發(fā)展經(jīng)歷了從高溫到中溫和室溫的工作溫度，電池結(jié)構(gòu)從復(fù)雜到簡單。電池反應(yīng)是從基于氧離子傳輸在陽極產(chǎn)生放電產(chǎn)物到基于鋰離子傳輸在陰極產(chǎn)生放電產(chǎn)物的過程。

盡管如此，由于速率性能的巨大差距，當(dāng)前基于鋰離子傳輸?shù)墓虘B(tài)鋰空氣電池需要在電池結(jié)構(gòu)、界面調(diào)節(jié)、充放電機(jī)制等方面取得進(jìn)一步突破。

 

離子液體系統(tǒng)鋰空氣電池

什么是離子液體，由有機(jī)陽離子和陰離子組成的鹽溶液。目的是利用電解質(zhì)中的陽離子在鋰陽極和氧陰極之間傳遞電荷。

離子液體由于其低可燃性、疏水性、低蒸汽壓、寬電化學(xué)窗口和高熱穩(wěn)定性而被引入鋰空氣電池，但其高粘度和高價(jià)格在一定程度上限制了離子液體的進(jìn)一步應(yīng)用。

 

 

鋰空氣電池的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1） 低成本，陰極活性材料使用空氣中的氧氣，不需要存儲或購買成本，并且空氣電極使用廉價(jià)的碳載體。

2） 高能量密度，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋰空氣電池的能量密度為5200Wh/kg，其能量密度可以達(dá)到11140Wh/kg，而不計(jì)算氧氣的質(zhì)量，這比現(xiàn)有的電池系統(tǒng)高出一個(gè)數(shù)量級。

3） 環(huán)保型鋰空氣電池不含鉛、鎘和汞等有毒物質(zhì)，是一種環(huán)保型電池系統(tǒng)。

缺點(diǎn)

一般來說，鋰空氣電池反應(yīng)產(chǎn)物中存在很大比例的不可逆成分，這是各種技術(shù)路線無法避免的不可避免的問題，必須正面解決。每種技術(shù)路線中的缺點(diǎn)在分類和存在的問題中基本上都已提及，這里不再贅述。定制鋰電池，選擇泰科倫。