简述锂-空气电池的分类以及优势与缺陷

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[9, 10, 14]。

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[15-17]。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[5]。

 

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[16]。

 

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[17,18]。

 

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[8-9]。