详细讲解锂空气电池包括化学反应原理,电池结构,最新进展,可应用领域,未来发展前景
来源：宝鄂实业
2019-05-12 14:58
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我将以Nature Materials上综述文章为主体，加上我自己的一些理解为您解答。原文《Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage》如果有兴趣可以去看看这篇文章，写得很不错。
至于你说生产什么的，这还只是一个概念，这些东西还只是可能实现，就在这里不论了。
一、概述
锂空气电池，更准确的称呼应该是锂氧电池（Li-O2），它是一种基于金属与空气化学能转换电能的电池。在这种电化学型的电池由诱导的氧化锂的阳极和氧气阴极组成。电极反应总式分为含水电解质反应和无水电解质反应如下图（包括各类锂电池放点图示）：
以及比容量图示（锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池对比）：
很明显， 锂氧和锂硫电池的比容量明显高于锂电池这是由于用于锂氧电池的Li2O2和LiOH在锂电池的质量分数远大于LiCoO2。
下图是描述用各种电池驱动汽车的行进的里程，蓝色代表已经实现，褐色代表正在进行生产研究中，红色代表(R&D=research&development）科学研究中。下面的横条表示的是各种电池每千瓦时需要花费的钱。
这里面锂电池160km的数值是有由Nissan Leaf给出的，而锂氧的550km是根据Sion Power关于锂硫电池的数据推导出来的。
二、化学反应
对于含水电解液和不含水电解液，放电时反应都一样，Li→Li+，正极的金属锂氧化释放锂离子至电解液，充电时则相反。在正极，氧气进入阴极的多孔材料，融入孔洞的电解液中并和表面接触发生还原反应。在这里就要区分含水电解液和不含水电解液了，在不含水电解液中O2形成O2（2-）[小括号表示得到电子]，并和Li+形成Li2O2（最终产物），在含水电解液中Li2O2进一步反应生成LiOH。[也有些作者称可以得到Li2O，这可以提高容量，但这不利于充电反应进行，后面还会说到]
下面对无水电解质和含水电解质分开来说：
1、无水电解质
隔膜需要满足条件：隔绝空气中的CO2和H2O防止其反应生成LiOH和LiCO3使反应不可逆。
电解液（现在研究的比较多）非水性锂空气电池的电解液主要作为传导离子、传输氧气的载体，其性能需要满足如下基本条件：
（1）在充放电过程中，具有较高的稳定性。
（2）具有高的氧气溶解性和氧气扩散系数（较低
的粘度）；
（3）具有低的吸水性和挥发性；
（4）具有高的离子传导性；
（5）具有合适的接触角（电解液与碳表面）。
参考锂离子电池电解液（一般研究还是主要为LiPF6 in EC：DEC=1:1），其余的诸如GC(glass-ceramic)材料与 PC(polymer-ceramic)材料制成的层状织膜固体聚合物电解质，LiTFSI-PMMITFSI–silica–PVdF-HFP等等有兴趣可以google学术下。
2、含水电解质
虽然非水性电解液解决了水与负极锂副反应的产生，然而其反应产物 Li2O2不溶于电解液，逐步堵塞正极的孔隙，减少反应界面面积，阻碍反应物扩散至反应界面，从而阻止反应的进一步进行，使实际获得的比容量低于其理论值，同时还导致锂空电池循环性能较差等不良结果。一些科学家提出含水电解液。它的理论密度低于无水型电解质但实际实验暂高。
两者共同：
正极主要由多孔碳材料、催化剂和粘结剂组成。总的来说，其正极应满足以下基本条件：
(1)碳材料具有足够高的活性表面区域
(2)碳材料具有合适的孔隙尺寸和足够高的孔隙率；
(3)催化剂对于氧气还原具有较好的催化活性；
(4)粘结剂具有较好的特性。
负极材料研究：负极锂保护膜的研究。防止其与O2和CO2反应生成副产物，对于有水体系可能更需要注意，正极侧水性电解液中的水分对于负极锂来说威胁较大，不过要是以后用于研究，这个也是必须要面临的问题。
催化剂研究见下图：
可应用领域
电池怎么用他怎么用。
未来发展前景
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。
1. 锂空电池那高得吓人的比容量是纯扯淡，因为这是基于Li和O2这种质量几乎无算的物质算出来的，你拿一个小小数当分母，当然会除出来一个巨大的数字，这小学生都会玩。但是电池的真正容量要算就要老老实实算上所有的电极组件（这还不包括把纯氧从空气中分离出来的设备，或者纯氧钢瓶的质量，这些咱下面再说），Jeff Dahn一算，哈哈，并不比LiCoO2高多少。牛皮被彻底踢爆。君不见后来苏格兰那位坏了名声的锂空“大牛”也只好扭扭捏捏地把Au电极的质量也算进去了，Au有多重多贵，做电池是给土豪专用的吗？（不过人家依然发在Science上，不服不行），结果容量现在捏去了水分就只有500多了（用了Au你还想要多少）。
2. 锂空还是锂-纯氧？这是两个巨大不同的概念。锂空概念股忽悠的是可以用免费的空气实现巨大的容量，这简直就是另一个神奇的水变油！但事实是必须用纯氧，你不知道氮气也会和锂反应吧，而且是不可逆的，那么空气中多少氮气啊？所以做锂空的人大脑会自动过滤去”如何有效可靠地从空气中分离出纯氧“这个问题，这是一个一直以来极其具有挑战性的问题，如果可以实现非常高效低成本地从空气中分离出纯氧，那么很多能源问题就解决了，还费劲巴基地搞什么电池？对了，由于锂空体系出了名的活泼（等下讲），一般必须用高纯氧，一般纯氧里面有点点水啊什么的，那你就等着和锂电极或电解液反应吧。想象一下以后汽车上载一个高纯氧的大钢瓶，这是在做火箭吗？
3. IBM当年不知道被哪个作孽的给忽悠了，砸了一堆钱在锂空项目上。但是去年整个项目被全部连根铲掉，那个领头的去了伯克利当发考题。其实IBM还是真正的业界良心，人家静下心来好好研究了一番，结果最终发现----尼玛！是谁把我们带到这个遭瘟的大坑里来了。事实是，这个体系比以前想象的要复杂太多，太多副反应，Li2O2、电极、电解液之间都有复杂的副反应，尤其是充电的过程，理应释放出O2，但是IBM测了很多不同电解液和电极体系发现很多其实并不是原来声称的那样。很多原来发表的文章现在看来其实都是电解液的副反应，错得离谱！那一堆堆的文章，很多人大名都署在上面，比如苏格兰的那位，本来是业界大牛，结果一不小心老了老了晚节不保了。虽然大家相信这都是“诚实的错误”不是学术腐败，但不严谨的帽子大家心里早就给老人家戴上了。确实很匪夷所思，那时锂空吹得那么火，文章发的一堆堆，为什么就没有人稍微看一看究竟电极反应的产物是什么呢？只要照一个红外，大学本科生都能做，就能看到那一堆电解液副反应的产物（如碳酸盐）。结果大家竟然都想当然地以为就是应该像想象中的反应一样进行，这是什么鬼科研思维。后来苏格兰的那位还在发，去年还有篇Nature Chem，用TTF做redox mediator，说是可以解决充电过程中overpotential的问题（他们竟然用的是众所周知对锂不稳定的DMSO作为电解液），当然，大家都重复不出来他的结果。我和IBM那个被忽悠后去伯克利当发考题的大哥聊了一次，发现他们在被IBM砍掉前也重复过了，结果也郁闷地发现用TTF甚至比不用释放的氧气还少，证明TTF也在参与副反应，然后他们就没有然后了。我说我们其实也听说加了TTF电解液颜色都变了，然后我们默默无言以对。。。我们在对方眼中都看到了一千批驼羊同时飞过。所以现在新兴一个奇葩锂空方向是来给锂空电池系统找各种奇葩缺陷，这种“找错误”的游戏也竟然发了不少文章那！很多文章还确实不错，各种技术手段用起来一测，哈，发现这个锂空可真有意思，什么副反应都有。不过这些文章最起码更靠谱一些，能给不知水深水浅的菜鸟们提个醒，别一不小心掉到坑里。掉到这个坑里最著名的人是前DOE掌门人Steven 朱，人家是搞物理的，作为拿过诺奖的大牛，不知被哪个缺德的给忽悠了，有一阵子天天吹锂空（直听得下面一堆做电池的行内人一身汗加一身汗）。不过还算被劝得快，后来不怎么太提了。还好没怎么被共和党抓住鞭子，否则又会像那个破产的太阳能公司一样，借批朱给奥观海一个好看。
4. 锂负极的问题，所有锂空的概念如果可行的话，都要基于锂金属可以作为负极材料。但是锂金属做负极早在20年前就被工业界抛弃了，因为有枝晶生长造成短路让电池变燃烧弹的可能。现在为了炒锂空概念又倒回去了，所以Jeff Dahn 说：Am I a dinosaur? 锂负极的问题不解决，锂空根本不能用；反之，如果锂负极的问题解决了，锂空就能用了吗？未必，分离纯氧、一堆副反应还等着你呢。再说如果锂负极问题解决了，那么很多现在的锂离子电池就可以直接换装锂负极，性能会大大提高，为啥要弄你那个又不可靠又要背氧气瓶的锂空呢？
5. 锂空概念如果除去基础科研的意义，那就是一个很烂的忽悠坑。珍惜生命，远离锂空
对于他的发展我个人持保留意见，觉得研究的噱头大于实际。现在研究这个的很多组，大部分是从燃料电池转行去的，把燃料电池的一些东西放上去，直接往一次电池上面做，然后锂枝晶的问题怎么解决，更别提往二次上面去做了，主要是为了那科研经费吧。往生产实际上说，其实很多组还杂用Pt作为催化剂，电解液的挥发与污染还没有很好的解决，现在大部分还在做基础研究，要应用和生产可能是十几年或者几十年的东西，远没有锂离子电池的各项研究实际
当然也有国外的很多企业和研究者在做这个事。蓝色巨人计划利用纳米隔膜开发水纯净系统，以便将空气中的氧气与水等物质隔离开来。IBM的纳米结构经验还可以让它将电池中的氧分配到每个电池单元中去，由此防止堵塞。超级计算机则可以进行建模方面的研究，使单个原子能够通过电池中纳米隔膜。
优点和缺点,与类似产品的比较
上文已有描述，不再赘述。
