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锂空气电池的原理,锂空气电池技术潜力无限

来源:小鱼儿玄机2站  日期:2019-07-25 16:48  浏览量:

  锂空气电池的原理,锂空气电池技术潜力无限。实际上,近几年来电池工业的飞速扩张的主要动力来自于动力电池行业的需求,因此电池技术的发展、技术的实用化过程中常常最需要考虑的就是动力电池的需要,而在此时,锂空气电池即使在低倍率下都极大的极化必然会导致非常不理想的能量效率与倍率性能,这也是其在动力电池领域中的实用化要克服的重要障碍。下面介绍锂空气电池的原理及其技术潜力。

锂空气电池.jpg

  什么是锂空气电池

  锂空气电池,通俗而言就是金属燃料电池,就是用金属锂做负极,氧气做正极的一种锂电池。其优点在于比能量高,理论上接近汽油。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。而锂空气电池的缺点是反应可逆性差,需要催化剂。

  锂空气电池的原理

  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,因为其阴极很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。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。

  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。

  锂空气电池技术潜力无限

  锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量电池技术,其利用锂金属与氧气的可逆反应,理论能量密度上限达到11000Wh/kg,远超过池目前200+Wh/kg的实际能量密度,因此得到了学术界和工业界的热捧,被广泛认为是一项电池领域中未来的颠覆技术。然而锂空电池方面的研究在业内也一直存在着不少质疑之声,不少人认为锂空电池定义不明(应叫锂氧)、反应机理复杂、极化大效率低、循环寿命不佳,并不是未来(动力电池需求为重要行业推动力的)电池工业的靠谱发展方向。当然在此过程中,研究人员不断努力开展工作,产生了许多成果,对该方向前景的讨论也在不断深入。

  最近美国科学家等在锂空电池的研究方面达成了突破,在《NATURE》上发文,成功制成了可在类空气气氛中循环超700次的电池,很好的解决了之前很多体系只能与纯氧反应、循环寿命很差(常常只有几十次)的问题,在该领域的科学研究层面取得了重大进展。在此,笔者将简单介绍该文的研究进展内容,并简要展望锂空电池技术未来的工业化实用前景。

  锂空电池技术一直是受到人们重视的热点技术,其理论能量密度高得到了大家的一致期待,但是该技术的问题和挑战也一直非常多。更有不少业内人士指出:“锂空气电池结合了燃料电池和锂离子电池的缺点”、“反应副反应太多”等一系列问题。在这里,笔者也想基于此文进展和工业界对于电池技术的期望,简单展望一下锂空电池技术的前景。

  锂空气电池技术需要解决的问题主要有:防止使用两种电解液的隔膜慢性渗漏;提高有机电解液的可使用温度;找到可取代目前使用的金和白金触媒剂;更换锂燃料时,如何防止水气侵入引起爆炸;如何循环未用完的锂和氢氧化锂;如何降低循环氢氧化锂的能耗。

  总体而言,锂空气电池反应产物中,存在大比例不可逆成分,这是各种技术路线都无法规避的问题,必须正面解决。锂空气电池未来或颠覆电池领域,工业实用化路还很长。

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