锂电的最终形态之锂空气电池技术解析.doc

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1、锂电的最终形态之锂空气电池技术解析　　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，

2、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iphone6S也因1715mAh的电池饱受争议，而后期推出的iPhone6sSmartBatteryCase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PeterGeorgeBruce教授在Nature发文提出新一代的高性能电

3、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-Airbattery）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360Wh/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

4、）　　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-Airbattery）也称之为锂氧电池（Li-O2battery）。　　　　图1：L

5、iCoO2型锂离子电池与Li-O2电池的反应机理图　　　　Li-O2电池简史　　由于汽油等化石燃料的消耗和污染，人类需要新型可替代能源。但目前锂离子电池（LiCoO2材料）250Wh/kg的能量密度与汽油1750Wh/kg的指标相差太大，不能满足日常需求。　　　　1976年　　锂空气电池的概念被提出；　　　　1979年　　K.F.Blurton，A.F.Sammells在J.PowerSources上发文并强调Zn-Air电池的发展潜力，并提出空气电池可以应用于汽车。　　　　图2：Zn-Air电池结构分解图　　　　

6、1996年　　Abrahametal提出以金属锂为负极，碳吸附氧为正极，有机物（LiPF6）为电解液，的Li-O2电池体系并提出两个反应方程：　　2Li+O2→Li2O2（2.96V）和4Li+O2→2Li2O2（2.91V）　　　　2006年　　Bruce等人以MnO2为催化剂，证明了放电产物Li2O2的可逆转化。　　　　图3：各类电池的续航能力以及成本价格　　　　2009年　　IBM启动“Battery500”计划，目标实现Li-Air电池驱动的汽车达到500KM续航　　Li-O2电池的研究现状　　目前Li-O

7、2电池还只能在实验室的条件下充放电，依旧不能直接应用于手机或汽车上。但这并不意味着Li-O2电池毫无应用价值，大量的研究人员已经在各方面进行改进，促使Li-O2电池向更适合应用的方面进化。　　　　正极材料　　Li-O2电池的正极是O2，但空气中的CO2和H2O会造成容量的不可逆损失，直接与空气或氧气接触的金属锂也会瞬间氧化，难以循环充放电。为了避免锂片与空气大面积接触，研究人员采用网状泡沫镍或多孔碳作为空气电极的骨架材料。　　碳材料具有相对较大的比表面积，为催化剂提供了更大的负载位置，同时提供了更多的反应活性位点，

8、提高催化剂的作用效果。碳材料的孔径越小，比表面积越大，但孔径并非越小越好。Yang等人将活性炭，SuperP，XC-72，碳纳米管等对比发现，小孔径的活性炭性能反而没有大孔径的SuperP好。如图4所示，孔径过小，会沉积大量反应产物，阻碍反应放电。　　　　图4：反应产物（Li2O和Li2O2在碳化物孔径中的分布示意图　　　　催化剂　　催化剂对Li-O2电池必