锂硫电池和金属空气电池技术有哪些不同？

来源：宝鄂实业 2019-08-13 10:23 点击量：次

　锂硫电池技术

　　近年来，传统的锂离子电池技术不断进步，但是电池的比能量仍然不能满足应用的要求，电池技术依旧是便携式电子设备和电动汽车发展的最大瓶颈。为实现高比能量电池技术的创新性突破，科研人员将突破方向选择为能量密度更高的锂硫电池和锂空气等金属空气电池，并取得了一定进展。一些新型电池技术已经看到了实际应用的曙光。

　　锂硫电池是以硫元素作为正极、金属锂作为负极的一种电池，其理论比能量密度可达2600Wh/kg，实际能量密度可达450Wh/kg。同时单质硫价格低廉、产量丰富、环境友好，是目前最接近产业化的高比能量电池技术。

　　国际上，锂硫电池的代表性研发厂商有美国的SionPower、Polyplus、Moltech，英国Oxis及韩国三星等，其中以SionPower公司的结果最具代表性。2010年，SionPower公司将锂硫电池应用在无人机上，白天靠太阳能电池充电，晚上放电提供动力，创造了无人机连续飞行14天的纪录，是锂硫电池较为成功的应用实例。在国内，锂硫电池的研究主要集中在中科院大连化物所、中国防化研究院、北京理工大学等科研单位，近几年取得迅速发展。目前，国内所开发的锂硫电池在能量密度上已经处于世界领先地位(>450Wh/kg)，但是正常充放电几十次之后，能量密度就大幅度衰减，其循环寿命亟待提高。

　　锂硫电池是世界各国竞相研发的尖端技术，其产业化前景被普遍看好。如何大幅提高该电池的充放电循环寿命、使用安全性，将成为锂硫电池产业化发展的关键。

　　金属空气电池技术

　　当前，金属空气电池特别是锂-空气电池已经引起了人们的高度关注，并取得许多重大进展。

　　锂-空气电池以金属锂为负极，空气中的氧为正极活性物质，通过锂与氧之间的电化学反应，实现电能与化学能的相互转化。该电池理论能量密度可达约3500Wh/kg，为锂离子电池的10倍，与汽油接近。着眼于锂-空气电池的潜在应用前景，世界各国纷纷开展相关研究工作。IBM公司一直致力于“电池500”项目，期望实现电动汽车一次充电续航500英里的目标；而日本的旭化成等企业的加入将推动隔膜与电解液的研究。

　　锂-空气电池并非全新概念，其最早由洛克希德公司研究人员于1976年提出。1996年，Abraham等人提出有机电解液体系，开创了锂-空气电池研究新局面。目前，锂-空气电池的研究主要集中于正极，其直接决定了电池的各项性能指标。能量密度方面，最具代表性的便是石墨烯类材料。美国西北太平洋国家实验室的研究人员，制备了一种具有气泡式结构的分层石墨烯材料，实现了约15000mAh/g的放电比容量，远超现有锂离子电池。

　　然而，锂-空气电池充放电过程中生成的含氧中间态产物会与碳材料、电解液等发生化学反应，导致大量副产物的生成(如碳酸锂等)，极大地影响了电池的循环过程，是制约其发展的瓶颈问题。Bruce等人将多孔金和碳化钛用于正极，可有效抑制副反应，100次循环容量保持率大于95%。

　　高能量密度是锂-空气电池的主要优势，而循环稳定性是其技术发展的关键和面临的难题。另一方面，金属锂的纯化和锂负极保护与充放电过程中的枝晶抑制，高活性正极催化组分以及选择性透氧膜的开发，电池结构设计集成技术等均是其实用化过程需要有效解决的问题。

锂硫电池早在1940年就有研究，而锂空气电池最近才引起关注。

　　下图列举了各类电池电动汽车的续航能力，目前锂离子电池为160公里，继续优化锂离子电池未来有望达到200公里，要真正有竞争力，能行驶500公里以上，未来很可能需要采用锂空气电

　　如下罗列了锂空气和锂硫电池的特点，问题，及发展前景。

　　锂空气（无水型，或有机电解液型）

　　正极空气电极受空气中二氧化碳和水蒸气的影响，透气膜有待开发。目前无特制透气膜的话电池寿命仅几个小时，最好的透气膜电池寿命1个月。

　　电解液是大问题，必须化学稳定，导离子，溶解氧，扩散氧，不易挥发。目前常用碳酸丙烯酯，但放电过程中易受到氧气影响而降解。最近有报道使用醚类，稳定但充电是不能释放全部氧。

　　电压取决于正极催化剂的使用。目前常用alfa二氧化锰，最新研究有用碳材料的。还不清楚催化剂是否促进电解液分解影响其稳定性。

　　正极氧还原在锂存在下常被认为是一个电子转移。

　　充放电的正极反应路径不一样，引起充放电电压不一致，常为0.7伏差异。

　　金属锂负极的安全性，剩余金属锂问题或载体问题。