锂空气电池的工作原理_反应方程式_应用_优缺点

2018-03-29 09:23:43      来源:电池在线      编辑:马昆秀      人气:

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。

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。

锂空气电池的工作原理_反应方程式_应用

  什么是锂空气电池

锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度,因为其阴极(以多孔碳为主)很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。

放电过程:阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(Li+),Li+穿过电解质材料,在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2),并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91V。

  锂空气电池工作原理与反应方程式

锂空气电池采用锂作为负极活性材料,采用多孔的气体扩散层电极作为正极材料,按电解质体系主要分为有机电解液体(非水性电解液体系)、水性电解液体系、混合电解液体系和全固态电解质体系。

锂空气电池的工作原理_反应方程式_应用

不同电解液体系锂空气电池

锂空气电池的概念最早由Lockheed提出,电解液为碱性水溶液。氧气在空气电极上发生氧还原反应,形成氢氧化物。其放电反应方程为:

4Li+O2+2H2O→4LiOH(1-1)

放电过程中Li、H2O和O2被消耗,在Li表面生成了一层保护膜而阻碍电化学反应的快速进行。在开路或低功率的状态下,Li的自放电率很高,并伴随着Li的腐蚀反应:

Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)

在水系电解液中,金属Li极易和水反应,因此对锂离子隔膜的阻水性有很高要求,目前还没有商业化的产品。综合考虑实用性和安全性,水系锂空气电池并非最终实际应用的首选。

非水电解液体系的锂空气电池使用了含有可溶性锂盐的有机电解液,工作原理是基于Li2O2的生成与分解:

4Li+O2→2Li2O(1-3)

2Li+O2→Li2O2(1-4)

根据1-3式计算,锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg,在实际应用中,由于氧气来自外界环境,排除氧气后的能量密度高达11430Wh/kg。

目前对于全固态锂空气电池报道较少,其具有稳定性好、循环性能好、避免形成锂枝等优点,但其低导电性,容量和能量密度限制了其发展。

每一种电池体系都有其各自的优点,同时也都面临着反应机理和工艺设计的难题。目前对于锂空气电池的研究大多数是采用有机电解液体系。

锂空气电池的工作原理_反应方程式_应用

  锂空气电池的性能

空气电池这是一种由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。

理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物,阻隔了电解液与空气的接触,导致停止放电等问题。

负极(金属锂)采用有机电解液,正极(空气)方面则使用水性电解液,两极由固体电解质隔开,以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子,因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性,不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。

该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液,用卡盒等方式补充负极的金属锂的话,汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂,锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。

锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用,为了实现长距离行驶,作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶,要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池,因此存在车体价格大幅上升的问题。

要实现电动汽车的普及,能源密度需达到目前的约6~7倍。因此,理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质,理论上正极容量无限大,因此可实现大容量。

锂空气电池的工作原理_反应方程式_应用

  锂空电池的优缺点

锂空气电池的理论比能量为11430Wh/kg(排除O2重量),与汽油的比能量相近。因而,锂空气电池系统实际比能量预计能够达到1700Wh/kg。近十年,特别是最近几年,锂空气电池正在被广泛的研究,也报道了许多重要的实验结果,但最高的电池实际能量密度仅比锂离子电池高一些。因而提高电池的能量密度和倍率性能来实际应用于未来领域还需要更多的突破性进展。

与其他电池相比,锂空气电池有比能量高、成本低廉、可充放性、环境友好等。但是,对于有机体系,在空气电极、电解液、催化剂等方面已经有了一定认识,但还存在着一些重要的问题,如放电性能、能量效率、催化剂、空气电极设计、都是锂空气电池体系的关键科学问题。这些这些问题的解决将会推动锂空气电池走向实际的应用。

  结语

目前Li-O2电池依旧只能在实验室中进行充放电实验,而不能大规模商业化应用。一方面是因为,正极材料,催化剂都不能实现长效,大倍率的充放电过程。另一方面,开放体系的电解液暴露在外,多数有机溶剂是有毒且易挥发的。试想,没人愿意用手机的时候到处流淌着电解液吧。

最重要的一点,锂空气电池即使在研究方面都是一项极其烧钱的活动,让每个人都用的起空气电池,成本的压缩就需要很长时间的过渡。

我相信不久的将来,在各方面性能和成本都达到一个可以接受的范围时,Li-O2电池将会完全改变能源产业的发展。而那时,Li-O2电池会像现在的锂电一样,改变生活,改写历史。

  相关链接:伊利诺伊大学锂空气电池技术研究获新进展

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