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锂空气(氧气)电池的研究进展 锂空气(氧气)电池 的研究进展 第 1页/共 20页  锂空气(氧气)电池的研究进展 摘要：锂/空气电池的理论能量密度高达 11140 Wh/kg，是现有电池体系 1-2个数量级，但目前仍 存在许多制约其应用的因素，而其中寻找合适的电解液以及高效的氧还原催化剂尤为重要。本文综述 了锂空气（氧气）电池的研究进展，并对发展趋势和存在的关键进行了分析和展望。 全球范围内已积极开展了提高锂电池的能量密度和电极材料的稳定性的研究，寻找比能量更高、更便宜的正极 材料一直是锂电池发展的方向。但是，锂电池中的正极材料局限了锂电池的贮能性能。目前大部分正极材料的电化 学容量只有200 mAh/g左右，比如成功商业化的锂离子电池正极材料LiCoO2的电化学容量只有大约140 mAh/g。另 外，锂离子在金属正极材料的扩散系数较低，也限制了锂电池的能量输出。 在所有的电池负极材料中金属锂具有最低的密度，最高的理论电压，最好的电子电导，同时其电化学容量达3860 mAh/g，所以近十几年来以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展。水系电解质锂空气电池很早就有人研究， 电池放电反应方程为：4Li + O2 + 2H2O → 4LiOH（E=3.35V），放电过程中，金属锂、水和氧气被消耗产生LiOH， 由于金属表面生成了一层保护膜而阻碍了腐蚀反应的快速发生。但是在开路状态下和低功率状态下，金属锂的自放 电率相当高，伴随着锂的腐蚀反应: Li + H2O → LiOH + 1/2H2，该反应的发生降低了电池负极的库仑效率，同时 也带来了安全上的问题。综合考虑到实用性、成本和安全性，水系锂空气电池非金属空气电池的首选。 有机系锂/空气电池在当前诸多的电池体系中具有最高的能量密度，排除氧气后的能量密度达到惊人的11140 Wh/kg，高出现有电池体系1-2个数量级。本文综述了新型有机系锂空气（氧气）电池的研究进展，并对发展趋势 和存在的关键进行了分析和展望。 1 锂空气电池的反应机理 我们现在说的锂/空气电池通常是指有机系电解液锂空气电池(下面我们提到的锂空气电池都是这种有机系列 的)，这是近几年刚刚发展起来的新型电源体系，目前在国内外从事锂/空气电池研究的很少。1996年，K.M.Abraham 等人在 J. Electrochem. Soc.上首次报道了有机系列电解液锂/空气电池 。有别于常规的铝/空气电池和锌/空气 [1] 电池的水系电解液电池体系，锂/空气电池是一种全新的金属/空气电池。相对于使用水系和类水系电解液的传统空 气电池而言，使用有机系列电解液或全固态电解质可以获得更高的额定电压（理论值是2.9-3.1V），同时锂/空气 电池的能量密度也远高于其他金属/空气电池，它的工作原理是基于以下两个反应： 第 2页/共 20页  锂空气(氧气)电池的研究进展 图1 锂空气电池工作原理示意图 [2] 如图1所示，首先，氧气在多孔空气电极表面还原成O 或O2 ，接着与电解液中的Li结合生产产物Li2O2或Li2O。 2- 2- + 由于过氧化锂和氧化锂均不溶解在有机电解液中，因此放电产物只能在有氧负离子或过氧负离子的空气电极上沉 积，在阳极过量的情况下，放电的终止是由于放电产物堵塞空气电极孔道所致。 按第一个反应计算，电池开路电压为2.91V，理论能量密度为5200Wh/kg，而在实际应用中，氧气由外界环境 提供，因此排除氧气后的能量密度达到惊人的11140 Wh/kg，高出现有电池体系1-2个数量级，在军用和民用的高 能量密度领域中具有重要的应用前景。 2 研究面临的主要困难 目前制约其发展和应用的主要有以下几个方面： （1）由于锂空气电池是在敞开环境中工作，通常的有机液体电解质存在容易挥发的问题，从而影响了电池的 放电容量、使用寿命及电池的安全性。 （2）在空气中使用时，锂空气电池需要解决如何防止气体进入电池的问题。有机液体电解质体系容易吸收水 分而导致锂负极在空气中腐蚀的问题；另外，H2O和CO2的存在会使产物锂的氧化物减少，而反应生成的Li2CO3不具 有电化学可逆性，从而导致锂空气电池的循环性能下降。 （3）在没有催化剂存在时，氧气在阴极的还原非常缓慢，为降低正极反应过程的电化学极化，必须加入高效 的氧还原催化剂，而经典的氧还原催化剂钛氰钴、铂及其合金价格昂贵，不利于工业化生产。另外，由于锂空气电 池的充电电压很高，一般都在4.5 V左右或者更高，使用合适的催化剂也有利于减小充电电压。因此寻找廉价高效 的氧还原催化剂迫在眉睫。 如何解决上述问题，成为了锂空气电池能否得到成功应