锂空气电池

简介

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。

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2.91 V。

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。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.14kWh/kg(不包括氧气)。相对与其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能(见下表)[1]，因此，它非常有吸引力。不过，锂空气电池仍在开发中，市场上还买不到。

设计

日本产业技术综合研究所发布的锂空气电池的设计构思是，只在金属锂的负极使用有机电解液，正极的空气级使用水性电解液。既可以用作充电电池也可用作燃料电池使用。

如果在负极的有机电解液和空气极的水性电解液之间，用只能通过锂离子的固体电解质隔开的话，可防止两电解液发生混合，而且能促进电池发生反应。这样，能够防止正极的固体反应生成物——氧化锂(Li2O)析出。

该电池通过放电反应生成的不是固体氧化锂(Li2O)，而是易溶于水性电解液的氢氧化锂(LiOH)，这样就不会引起空气极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。此外，配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。

负极采用金属锂条，负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质。正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合。

放电时电极反应如下:

(1)负极反应(Li→Li++e-)

金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子(Li+)穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。

(2)正极反应(O2+2H2O+4e-→4OH-)

通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水性电解液中与锂离子(Li+)结合生成水溶性的氢氧化锂(LiOH)。

充电时电极反应如下:

(1)负极反应(Li++e-→Li)

通过导线供应电子，锂离子(Li+)由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。

(2)正极反应(4OH-→O2+2H2O+4e-)

反应生成氧。产生的电子供应给导线。

使用了此次新开发的碱性水性电解质凝胶的锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率放电时，放电容量约为9000mAh/g。另外，充电容量也约达到9600mAh/g。与此前报道的原锂空气电池的容量(700～3000mAh/g)相比，放电容量大幅提高。而使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶后，在空气中以0.1A/g的放电率放电时，可连续放电20天，放电容量约为50000mAh/g。

新的锂空气电池没电时也无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。这是一种新型燃料电池，名为“金属锂燃料电池”。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂(LiOH)，很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。