什么是锂空气电池 - 锂-空气电池的时代会到来吗？

什么是锂-空气电池？

简单点说，与传统锂离子电池以过渡金属氧化物作为正极材料不同，锂-空气电池是一种用金属锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。金属锂代替石墨作为负极的一个优点是金属锂（3860 mAh·g-1）有着将近10倍于石墨（372 mAh·g-1）的比容（Specific Capacity）。与所有的电池一样，锂-空气电池也是由基本的三部分组成：正极、负极、电解质，外电路由导线连接传导电子，内电路由电解质连通传递离子。其工作原理如图4所示：

图4：锂-空气电池工作原理示意图。

锂-空气电池以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极为正极。放电过程中，金属锂在负极失去电子成为锂离子，电子通过外电路到达多孔正极，将空气中的氧气还原，而锂离子穿过电解质到达多孔正极，与氧气和电子形成过氧化锂（Li2O2）（主要产物）。这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂。

由于负极材料是很轻的多孔碳材料，而氧气则从环境中取得，因此锂-空气电池的重量主要取决于正极材料和电解液了。减轻了附中的锂-空气电池因此相较于锂离子电池有了更高的能量密度。

锂-空气电池的分类

锂-空气电池的负极材料是金属锂、正极是能通过O2的多孔碳基材料，我们通常根据电解质的不同将锂空气电池分为四类：非质子性锂-空气电池、水体系锂-空气电池、混合型锂-空气电池和固态锂-空气电池。

图5：四种类型锂-空气电池结构示意图。

非质子锂-空气电池：

典型非质子锂-空气电池设计由一个金属锂阳极、一个添加催化剂粒子的多孔碳基材料阴极，以及溶解锂盐的非质子性溶剂电解质组成。常用的非质子电解质包括有机碳酸盐、醚、酯、锂盐溶剂等。非质子电解质是目前应用最多的电解质，优点是氧溶解度高、对锂腐蚀性小、电池结构简单、可操作性好，缺点是放电产物为固体，容易阻塞空气正极，且锂氧化物中只有Li2O2能在充电过程中分解，电池循环性能较差。

水体系锂-空气电池：

水体系锂-空气电池由锂金属阳极、水电解质和多孔碳阴极组成。水电解质结合了溶解在水中的锂盐。它避免了阴极堵塞问题，因为反应产物是水溶性的。与非质子溶剂相比，水设计具有较高的实际放电潜力。然而，锂金属与水有剧烈的反应，因此水的设计要求锂和电解液之间有一个固体电解质界面。

混合体系锂-空气电池：

水体系-非质子锂-空气电池或叫混合体系锂-空气电池，它的设计试图联合非质子和水体系电池设计的优点。混合设计的共同特征是一个由锂导电膜连接的两部分（一部分是水，一部分是aprotic）。当阴极与水面接触时，阳极与非质子端毗邻。锂导电陶瓷通常被用作连接两个电解质的薄膜。

固态锂-空气电池：

目前的固态锂-空气电池使用锂做负极，陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷作为电解质，多孔碳作为正极。阳极和阴极通常由聚合物-陶瓷复合材料分离，在阳极上加强电荷转移，并将阴极与电解液结合在一起。聚合物陶瓷复合材料降低了整体阻抗。固态电池设计增强了安全性从而消除了点火破裂的可能性，但缺点是大多数玻璃陶瓷电解质的导电性低。

锂-空气电池的优势与缺陷？

锂-空气电池应用到汽车领域的理念，早于1970年就被提出，但受当时材料技术发展所限，一直未能深入研究，至今也尚未实现商业化应用。随着电动汽车产业的发展以及材料科学技术的提升，锂-空气电池也开始备受关注，原因之一是其理论比能量很高。对锂和氧（空气中）进行配比，理论上可以使电化学电池具有最高的能量。事实上，非水体系锂空气电池的理论能量约12kWh/Kg，这相当于汽油的理论能量（13kWh/Kg），远远高出锌空气电池、锂离子电池、锂硫电池等（如图3所示）。而实践中，每块锂-空气电池的特定能量也达到了1.7kWh/kg，这比一块商业锂离子电池要大5倍，足以运行一辆2吨的全电动汽车（FEV），只需使用60公斤的电池就可以行驶500公里。

锂-空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽用之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既降低了成本又减轻了电池的重量，电池的能量密度完全取决于金属锂一侧。而在电池的充放电全过程中，不会产生对环境有害的物质，完全是零污染的绿色过程。

然而，细心的读者应该注意到了，在所谓的“（金属）锂-空气（氧气）电池”的工作环境下，实际起到功能作用的是空气中的氧气。因此，并非如名字般美好，锂-空气电池对工作环境还是有一定的要求。因此锂-空气电池还有很多问题没有得到解决：大气中H2O、CO2的影响所产生的副反应，放电生成物析出导致空气回路的堵塞，大的充放电过电压导致的催化剂问题，以及空气电极炭集流体的腐蚀等。更有研究表明大气中的氮气也不甘寂寞的参与进此反应。

同时，Li2O2析出反应的抑制直接关系到电池的放电容量，关于Li2O2析出的另一个问题是充电时过电压较大，这不仅关系到能量的转换效率，还会引起Li2O2析出载体炭的氧化等新问题。

锂离子与氧气共存的条件下，碳材料的电位升高，生成碳酸锂，过高的电压有可能导致电解液分解，因此对空气电极有各种讨论。普遍认为，锂-空气电池正极的结构、组成和空气催化剂的催化活性对电池比容量与循环性能有重要的影响，如Bruce等研究小组报道α-MnO2的纳米线与碳进行复合，具有高的可逆性。

未来

随着石油、煤炭等能源的日渐匮乏以及环境污染的日益加重，发展高效清洁能源势在必行，而锂-空气电池优越的理论性能毋庸置疑会使其成为科研和商业应用领域关注的重点。目前各种类别的锂-空气电池都有各自的优缺点，无论是因液相电解液挥发还是多孔碳电极材料传导催化效能而影响到电池性能，锂-空气电池想要实现商业应用，找到具有竞争力的市场定位，都必须解决循环寿命、能量效率、空气过滤膜、金属锂防护等关键问题。相关领域的科研工作者们也在不断努力，共同推动锂-空气电池实现实际应用。与传统的金属空气电池相比，锂-空气电池具有更小的体积、更轻的重量、更高的工作电压、更高的比能特性，因而在军事、野外、电动汽车、水上等领域都有广阔的应用前景。