鋰空氣電池的工作原理

鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池采用鋰作為負(fù)極活性材料，采用多孔的氣體擴(kuò)散層電極作為正極材料，按電解質(zhì)體系重要分為有機(jī)電解液體、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態(tài)電解質(zhì)體系。

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

同樣道理，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(即我們使用電池的過程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，形成氫氧化物。其放電反應(yīng)方程為：

4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護(hù)膜而阻礙電化學(xué)反應(yīng)的快速進(jìn)行。在開路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應(yīng)：

Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

在水系電解液中，金屬Li極易和水反應(yīng)，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。綜合考慮實用性和安全性，水系鋰空氣電池并非最終實際應(yīng)用的首選。

非水電解液體系的鋰空氣電池使用了含有可溶性鋰鹽的有機(jī)電解液，工作原理是基于Li2O2的生成與分解：

4Li+O2→2Li2O（1-3）

2Li+O2→Li2O2（1-4）

根據(jù)1-3式計算，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，在實際應(yīng)用中，由于氧氣來自外界環(huán)境，排除氧氣后的能量密度高達(dá)11430Wh/kg。目前關(guān)于全固態(tài)鋰空氣電池報道較少，其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好、防止形成鋰枝等優(yōu)點，但其低導(dǎo)電性，容量和能量密度限制了其發(fā)展。每一種電池體系都有其各自的優(yōu)點，同時也都面對著反應(yīng)機(jī)理和工藝設(shè)計的難題。目前關(guān)于鋰空氣電池的研究大多數(shù)是采用有機(jī)電解液體系。