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高效锂空气电池新型材料开发及系统优化研究可行性报告
一、国内外研究现状和发展趋势
1.1研究背景
随着社会经济的飞速发展,越来越多的能源问题和环境问题呈现在人们的面前,寻找
环境友好且可持续发展的新型清洁能源显得日益迫切。发展清洁能源,减少二氧化碳等温室
气体的排放,也已成为当今新能源发展的方向。在各种新能源(风能、核能、太阳能等)技
术中,化学储能电源以其清洁、高效、安全等优点在人们日常生产、生活中发挥着越来越重
要的作用。在各种不同的电存储技术中,可充电电池被认为是一种最有效、简单、可靠的系
统,它可以直接的将电能转化为化学能,或反之亦然,通过可逆电化学氧化还原反应将化学
能转化为电能。然而,人们生产生活中常见的几种化学储能电源,如:铅酸电池、镍氢电池、
锂离子电池等,基于比能量密度、安全性及生产成本等因素考虑,作为未来新能源汽车、电
动工具和储能电站的能源供给受到一定的限制。因此,开发具有更高比能量密度和体积能量
密度的新型化学电源体系来满足大规模电量存储或大功率移动设备的日常使用,已成为了广
大科研工作者们当前所面临的重要研究工作。
近年来,具有质轻、低廉、无毒、高效的二次金属-空气电池出现引起了各国科学研究
者们的广泛关注[1,2]。从理论上讲,由于金属/空气电池的活性物质-氧气来源不受限制,电
池的容量仅取决于阳极金属材料的容量。然而在大多数金属负极中,锂金属具有最轻的质量
-1-3
(Mw=6.94gmol,ρ=0.535gcm)且电负性为-3.045V(vs.SHE),金属锂的理论比容量
-1-1
为3861mAhg,据此进行计算得到锂/空气电池的理论比能量密度为5,210Whkg(考虑氧
气质量在内)或11,400Whkg-1(排除氧气质量进行计算)[3,4],其比能量密度与传统汽油
-1
的比能量密度(约为13,200Whkg)较为接近,约为传统锂离子二次电池的5~10倍[5],
有望替代汽油成为未来新能源汽车的动力。
图1不同类型可充电电池相对于汽油燃料的能量密度(Whkg-1)[6]
国内外的研究机构及企业对锂空气电池进行了广泛的研究。2009年,IBM公司宣布
与美国阿贡国家实验室合作共同开展“将锂/空气电池应于电动汽车”研发项目,从此掀起了
锂/空气电池基础研究热潮。2012年,IBM公司再次宣布与日本AsahiKasei和CentralGlass
公司合作共同开发“Battery‒500project”项目,进一步拓展锂/空气电池应用方面的研发。2013
年,IBM公司与宝马汽车共同合作开发锂/空电池,预计在2020年年底前实现锂/空气二
次电池的商业化。从此,锂/空气电池研究开启了继二次锂离子电池之后可充电电池技术的
新时代。此外,自2008年以来,我国政府(国家自然科学基金项目,2000多万人民币)
也将锂/空气电池研究列入国家重点研究计划资助项目。国外开展锂/空气电池研究领域较早
的课题组如圣安德鲁斯大学Bruce,PeterG.课题组,首次开展了有机电解液体系锂空气电
池的研究工作,引发了锂空气电池研究的热潮,并在在2012年利用多孔金电极为锂空气电
池的阴极,首次实现锂空气电池超过100次稳定充放循环[7,8]。麻省理工学院(MIT)杨绍
红科研团队研发一种新式碳纤维锂空气电池,其能量密度是现在广泛应用于手机、汽车中可
充电锂离子电池的4倍[9]。近期,美国阿贡国家实验室的科学家LarryCurtiss和Khalil
Amine及合作者开发了基于超氧化锂为放电产物的锂空气电池,因超氧化锂更容易离解成锂
和氧,具有更高的效率和更长的循环寿命,在理论上可以制成由一个封闭系统组成的锂-空
气电池,这为锂空气电池的实用化研究提供了新的方向[10]。
目前,国内开展关于锂/空气电池研究的课题组也较多,且取得了不少成果,如中科院
长春应用化学研究所的张新波教授课题组通过优化锂-空二次电池体系与结构,首次设计和
开发出可实用化、拥有自主知识产权的锂-空气二次电池电池组。中科院上海硅酸盐温兆银
教授课题组设计和制备成功具有(111)面优先生长的Co3O4无支
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