鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究

鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究一、本文概述隨著全球?qū)稍偕茉春涂沙掷m(xù)技術(shù)的需求日益增長，高效能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的研發(fā)已成為科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)。鋰空氣電池作為一種理論能量密度極高、環(huán)境友好的新型電池技術(shù)，備受關(guān)注。盡管其潛在優(yōu)勢顯著，鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如循環(huán)穩(wěn)定性差、能量效率低等問題。對其基礎(chǔ)研究的深入理解和探索顯得尤為重要。本文旨在全面綜述鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究，包括其工作原理、電極材料、電解質(zhì)設(shè)計(jì)、電池性能評估等方面。通過探討鋰空氣電池的基本原理和關(guān)鍵科學(xué)問題，分析目前研究的進(jìn)展和瓶頸，展望未來的發(fā)展方向。我們期望通過本文的闡述，能為鋰空氣電池的研究者提供有益的參考，推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究進(jìn)步，為可持續(xù)能源存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。二、鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究鋰空氣電池，作為一種新型的高能量密度電池，近年來受到了廣泛關(guān)注。其理論能量密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的鋰離子電池，因此具有巨大的應(yīng)用潛力。要實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的商業(yè)化應(yīng)用，還需要對其基礎(chǔ)科學(xué)問題進(jìn)行深入研究。鋰空氣電池的工作原理是研究的重點(diǎn)。在放電過程中，鋰金屬與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成過氧化鋰或超氧化鋰。這一過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性對電池性能有著決定性的影響。研究者們需要深入了解這些反應(yīng)過程，以優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。鋰空氣電池的電解質(zhì)材料也是研究的熱點(diǎn)。電解質(zhì)在鋰空氣電池中起著分隔正負(fù)極、傳遞離子的關(guān)鍵作用。理想的電解質(zhì)材料應(yīng)具備高離子電導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。目前，研究者們正在探索各種新型電解質(zhì)材料，如固態(tài)電解質(zhì)、離子液體等，以提高鋰空氣電池的性能。鋰空氣電池的催化劑研究也是不可忽視的一環(huán)。催化劑能夠降低電池反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率，從而改善電池性能。研究者們正在尋找高效、穩(wěn)定的催化劑，以提高鋰空氣電池的放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。鋰空氣電池的安全性問題也是研究的重點(diǎn)。鋰空氣電池在充放電過程中可能產(chǎn)生氧氣、過氧化鋰等易燃易爆物質(zhì)，因此安全性問題一直是制約其商業(yè)化的關(guān)鍵因素。研究者們需要通過改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池工藝等措施，提高鋰空氣電池的安全性。鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究涉及多個(gè)方面，包括工作原理、電解質(zhì)材料、催化劑和安全性等。只有深入研究和解決這些基礎(chǔ)科學(xué)問題，才能推動(dòng)鋰空氣電池的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。三、鋰空氣電池的應(yīng)用研究鋰空氣電池，以其極高的能量密度和潛在的長期續(xù)航能力，吸引了全球科研人員和工業(yè)界的高度關(guān)注。近年來，隨著其基礎(chǔ)研究的不斷深入，應(yīng)用研究也取得了顯著的進(jìn)展。本文將著重探討鋰空氣電池在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰空氣電池被視為下一代電池技術(shù)的有力競爭者。其理論能量密度遠(yuǎn)超現(xiàn)有的鋰離子電池，意味著在相同體積或重量下，鋰空氣電池能提供數(shù)倍于鋰離子電池的電量。這對于電動(dòng)汽車來說，意味著更長的續(xù)航里程和更快的充電速度。目前，各大汽車制造商和電池供應(yīng)商都在積極布局鋰空氣電池的研發(fā)，期望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。在可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，鋰空氣電池同樣展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。由于這些設(shè)備對電池的體積和重量有著極高的要求，而鋰空氣電池的高能量密度正好滿足了這一需求。鋰空氣電池的長壽命和安全性也使其在這些領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，已有一些初創(chuàng)企業(yè)開始嘗試將鋰空氣電池應(yīng)用于智能手表、健康監(jiān)測設(shè)備等產(chǎn)品中。在航空航天領(lǐng)域，鋰空氣電池同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。由于其高能量密度和長壽命，鋰空氣電池有望為衛(wèi)星、無人機(jī)等航空航天器提供更持久、更穩(wěn)定的電力支持。鋰空氣電池的高安全性也使其在極端環(huán)境下有著廣泛的應(yīng)用空間。目前，一些科研機(jī)構(gòu)正在與航空航天企業(yè)合作，共同推進(jìn)鋰空氣電池在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究。盡管鋰空氣電池的應(yīng)用研究取得了顯著的進(jìn)展，但仍面臨著一系列的挑戰(zhàn)和問題。例如，鋰空氣電池的充放電機(jī)制尚未完全明確，需要進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究來揭示其本質(zhì)。鋰空氣電池的壽命和安全性問題也需要得到更好的解決。這些問題的解決將直接影響到鋰空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程和應(yīng)用范圍。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和鋰空氣電池基礎(chǔ)研究的深入，我們有理由相信鋰空氣電池的應(yīng)用研究將取得更加顯著的進(jìn)展。其在電動(dòng)汽車、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷擴(kuò)大，為人類社會(huì)的發(fā)展帶來更加清潔、高效、可持續(xù)的能源解決方案。我們也需要關(guān)注鋰空氣電池在應(yīng)用過程中可能遇到的挑戰(zhàn)和問題，并通過科研合作和技術(shù)創(chuàng)新來尋求解決方案。四、鋰空氣電池的挑戰(zhàn)和前景鋰空氣電池作為一種具有高能量密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)，近年來引起了廣泛的關(guān)注和研究。盡管其在理論上具有巨大的潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨許多挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)：鋰空氣電池在實(shí)際運(yùn)行過程中面臨著復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，包括氧氣在正極的還原和鋰在負(fù)極的氧化等。這些反應(yīng)需要高效的催化劑來推動(dòng)，但目前尚未找到理想的催化劑。鋰空氣電池的正極材料在充放電過程中會(huì)經(jīng)歷較大的體積變化，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命受到影響。安全挑戰(zhàn)：鋰空氣電池的安全性也是一個(gè)重要的問題。由于電池內(nèi)部涉及到鋰金屬和氧氣的反應(yīng)，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)或爆炸。需要開發(fā)有效的安全措施和電池管理系統(tǒng)來確保電池的安全運(yùn)行。成本挑戰(zhàn)：盡管鋰空氣電池具有高能量密度的優(yōu)勢，但其制造成本仍然較高。主要原因是目前尚未找到大規(guī)模制備高性能正極材料的有效方法，以及電池的生產(chǎn)工藝尚不成熟。降低鋰空氣電池的制造成本是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但鋰空氣電池仍然具有廣闊的前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們有望在未來找到解決上述挑戰(zhàn)的方法。例如，通過開發(fā)新型催化劑和改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)，可以提高鋰空氣電池的效率和循環(huán)壽命；通過優(yōu)化電池管理系統(tǒng)和加強(qiáng)安全防護(hù)措施，可以增強(qiáng)電池的安全性；通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和降低材料成本，可以降低鋰空氣電池的制造成本。鋰空氣電池作為一種具有巨大潛力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，雖然目前仍面臨許多挑戰(zhàn)，但其廣闊的應(yīng)用前景使得人們有理由相信，在不久的將來，鋰空氣電池將成為一種高效、安全、低成本的儲(chǔ)能解決方案，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。五、結(jié)論經(jīng)過對鋰空氣電池的基礎(chǔ)研究的深入探討，我們可以得出以下結(jié)論。鋰空氣電池作為一種新型的高能量密度電池，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。其在?shí)際應(yīng)用中仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括電池穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、安全性以及成本等問題。在電池穩(wěn)定性方面，雖然鋰空氣電池的理論能量密度極高，但由于其在實(shí)際運(yùn)行過程中涉及復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，使得電池的穩(wěn)定運(yùn)行變得困難。為了提升電池穩(wěn)定性，研究者們正在探索各種新型電解質(zhì)和催化劑，以期望在保證電池性能的同時(shí)，提高其穩(wěn)定性。在循環(huán)壽命方面，鋰空氣電池的循環(huán)壽命普遍較短，這主要是由于在充放電過程中，電池內(nèi)部的電極材料會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變化和化學(xué)腐蝕。為了解決這一問題，研究者們正在研究如何通過改變電極材料的結(jié)構(gòu)、提高催化劑的活性以及優(yōu)化電池的運(yùn)行條件等方式，來延長電池的循環(huán)壽命。安全性是鋰空氣電池另一個(gè)需要關(guān)注的問題。由于鋰空氣電池在運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生高溫甚至燃燒，因此如何確保電池的安全運(yùn)行成為了研究者們的重要任務(wù)。目前，研究者們正在通過改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池管理系統(tǒng)以及提高電池的熱穩(wěn)定性等方式，來提高鋰空氣電池的安全性。成本問題也是限制鋰空氣電池廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。目前，鋰空氣電池的生產(chǎn)成本較高，主要原因是其制備工藝復(fù)雜、電極材料價(jià)格昂貴以及電池的生產(chǎn)規(guī)模較小。為了降低生產(chǎn)成本，研究者們正在研究如何通過提高電極材料的利用率、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模等方式，來降低鋰空氣電池的生產(chǎn)成本。鋰空氣電池作為一種具有巨大潛力的新型電池，雖然在穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、安全性和成本等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究者們的持續(xù)努力，相信這些問題終將得到解決，鋰空氣電池將在未來得到廣泛應(yīng)用。參考資料：隨著科技的快速發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的能源存儲(chǔ)設(shè)備。傳統(tǒng)的鋰離子電池存在著一些基礎(chǔ)科學(xué)問題，例如能量密度低、充電速度慢、使用壽命有限等。為了解決這些問題，科學(xué)家們正在積極探索新型電池體系，其中最具前景的就是鋰空氣電池和鋰硫電池。鋰空氣電池是一種通過金屬鋰與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)來產(chǎn)生電能和化學(xué)能的電池。與其他電池相比，鋰空氣電池具有高能量密度、快速充電、低成本等優(yōu)點(diǎn)。鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些挑戰(zhàn)，如如何提高電池的穩(wěn)定性和壽命，如何降低成本等。鋰硫電池是一種通過金屬鋰與硫之間的反應(yīng)來產(chǎn)生電能和化學(xué)能的電池。這種電池具有高能量密度、環(huán)保、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車、可再生能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鋰硫電池也存在著一些問題，如硫的電導(dǎo)率低、鋰硫復(fù)合物的穩(wěn)定性差等。為了解決鋰硫電池中的問題，科學(xué)家們正在研究新型的電解質(zhì)、正極材料等。固態(tài)電解質(zhì)是一種具有很高離子電導(dǎo)率的材料，可以有效地提高鋰硫電池的壽命和穩(wěn)定性。一些新型的正極材料如碳納米管、石墨烯等也具有很高的電導(dǎo)率和化學(xué)活性，可以有效地提高鋰硫電池的性能。鋰空氣電池和鋰硫電池作為新型的能源存儲(chǔ)設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然它們在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些挑戰(zhàn)和問題，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我們有理由相信這些問題終將得到解決。未來，鋰離子電池將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并為人類的生產(chǎn)和生活帶來更多的便利和效益。隨著科技的飛速發(fā)展，能源儲(chǔ)存技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。鋰離子電池因其高能量密度、長壽命和環(huán)保性等特點(diǎn)，已成為移動(dòng)能源儲(chǔ)存的主流選擇。面對日益增長的需求和嚴(yán)格的能源儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本文將探討鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題中的兩個(gè)主要領(lǐng)域：鋰空氣電池與鋰硫電池。鋰空氣電池是一種理論上具有極高能量密度的電池。其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的困難主要集中在空氣電極的反應(yīng)機(jī)制和電池的循環(huán)壽命上?？諝怆姌O的反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，涉及多個(gè)反應(yīng)步驟，包括氧的吸附、傳輸、反應(yīng)和水的產(chǎn)生。這些步驟的效率直接影響了鋰空氣電池的性能。目前，科學(xué)家們正在努力通過調(diào)整電極材料和優(yōu)化電解質(zhì)來提高這些步驟的效率。鋰空氣電池的循環(huán)壽命也是一個(gè)關(guān)鍵問題。由于在放電過程中，氧氣的參與會(huì)導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的損失，從而影響電池的循環(huán)壽命。為了解決這個(gè)問題，科研人員正在研發(fā)新型的正極材料，以提高電池的穩(wěn)定性。鋰硫電池是一種具有高能量密度和環(huán)保性的電池。其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)主要集中在硫正極的電化學(xué)性能和電池的安全性問題上。硫正極的電化學(xué)性能是影響鋰硫電池性能的關(guān)鍵因素。在充放電過程中，硫正極的體積變化和穿梭效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和性能衰減。為了解決這些問題，科研人員正在研發(fā)新型的硫正極材料和電解質(zhì)，以提高電池的電化學(xué)性能。安全問題是鋰硫電池另一個(gè)需要解決的挑戰(zhàn)。由于硫正極中含有的硫元素具有易燃性，因此鋰硫電池存在潛在的安全隱患。為了解決這個(gè)問題，科研人員正在研發(fā)新型的安全電解質(zhì)和電池管理系統(tǒng)，以提高電池的安全性。鋰空氣電池和鋰硫電池作為鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題的兩個(gè)主要領(lǐng)域，雖然在實(shí)際應(yīng)用中面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科研工作的不斷深入和新材料的研發(fā)，我們有理由相信這些挑戰(zhàn)會(huì)被逐步克服。對于科研人員來說，深入理解這些基礎(chǔ)科學(xué)問題并探索解決方案是推動(dòng)能源儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。對于消費(fèi)者來說，這些新型電池的應(yīng)用將為我們的生活帶來更便捷、更環(huán)保的能源使用方式。鋰空氣電池是一種用鋰作負(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(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?yàn)槠潢帢O（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。放電過程：負(fù)極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質(zhì)材料，在正極與氧氣、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），并留在正極。鋰空氣電池的開路電壓為91V。理論上，由于氧氣作為正極反應(yīng)物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為21kWh/kg（包括氧氣質(zhì)量），或4kWh/kg（不包括氧氣）。相對與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能（見下表），它非常有吸引力。鋰空氣電池仍在開發(fā)中，市場上還買不到。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布的鋰空氣電池的設(shè)計(jì)構(gòu)思是，只在金屬鋰的負(fù)極使用有機(jī)電解液，正極的空氣極使用水性電解液。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用。如果在負(fù)極的有機(jī)電解液和空氣極的水性電解液之間，用只能通過鋰離子的固體電解質(zhì)隔開的話，可防止兩電解液發(fā)生混合，而且能促進(jìn)電池發(fā)生反應(yīng)。能夠防止正極的固體反應(yīng)生成物——氧化鋰（Li2O）析出。該電池通過放電反應(yīng)生成的不是固體氧化鋰（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH），這樣就不會(huì)引起空氣極的碳孔堵塞。由于水和氮等無法通過固體電解質(zhì)隔膜，因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。配置了充電專用的正極，可防止充電時(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和老化。負(fù)極采用金屬鋰條，負(fù)極的電解液采用含有鋰鹽的有機(jī)電解液。中間設(shè)有用于隔開正極和負(fù)極的鋰離子固體電解質(zhì)。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細(xì)化碳和廉價(jià)氧化物催化劑形成的正極組合。金屬鋰以鋰離子（Li+）的形式溶于有機(jī)電解液，電子供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子（Li+）穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中。通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子（OH-）。在正極的水性電解液中與鋰離子（Li+）結(jié)合生成水溶性的氫氧化鋰（LiOH）。通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，鋰離子（Li+）由正極的水性電解液穿過固體電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極表面，在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰。使用了此次新開發(fā)的堿性水性電解質(zhì)凝膠的鋰空氣電池在空氣中以1A/g的放電率放電時(shí)，放電容量約為9000mAh/g。充電容量也約達(dá)到9600mAh/g。與此前報(bào)道的原鋰空氣電池的容量（700～3000mAh/g）相比，放電容量大幅提高。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠后，在空氣中以1A/g的放電率放電時(shí)，可連續(xù)放電20天，放電容量約為50000mAh/g。新的鋰空氣電池沒電時(shí)也無需充電，只需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。這是一種新型燃料電池，名為“金屬鋰燃料電池”。理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰（LiOH），很容易重新生成金屬鋰，可作為燃料進(jìn)行再利用。鋰空氣電池這是一種由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(JSPS)共同開發(fā)出的一種新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。理論上可實(shí)現(xiàn)大容量的“鋰空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚目。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反應(yīng)生成物，阻隔了電解液與空氣的接觸，導(dǎo)致停止放電等問題。負(fù)極(金屬鋰)采用有機(jī)電解液，正極(空氣)方面則使用水性電解液，兩極由固體電解質(zhì)隔開，以防止兩電解液發(fā)生混合。由于固體電解質(zhì)只通過鋰離子，因此電池的反應(yīng)可無阻礙地進(jìn)行。正極的反應(yīng)生成物具有水溶性，不產(chǎn)生固體物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明該電池可連續(xù)放電50000mAh/g(空氣極的單位質(zhì)量)。該技術(shù)極有望用于汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補(bǔ)充負(fù)極的金屬鋰的話，汽車可實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛且無需充電等待時(shí)間?？梢詮挠眠^的水性電解液中輕松提取金屬鋰，鋰能夠反復(fù)使用?？梢哉f是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。鋰離子電池已經(jīng)開始在電動(dòng)汽車上應(yīng)用，為了實(shí)現(xiàn)長距離行駛，作為蓄電池時(shí)的高性能化和低成本化備受期待。但鋰離子電池受制于電池容量很難實(shí)現(xiàn)長距離行駛，要實(shí)現(xiàn)長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價(jià)格大幅上升的問題。要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的普及，能源密度需達(dá)到約6～7倍。理論上能源密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。由于鋰空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物質(zhì)，理論上正極容量無限大，因此可實(shí)現(xiàn)大容量。大容量鋰-空氣電池并非新概念，都未普及原因是它存在致命缺陷，日本的研究院克服了這個(gè)困難，但要想實(shí)現(xiàn)商用，可能還需要10年。減碳，對于人類福祉來說，絕對不是離譜的要求，但對于全球汽車業(yè)來說，卻是一件困難的事情。眾所周知，鋰離子電池廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦等，也已經(jīng)是下一代充電式混合動(dòng)力車和電動(dòng)車的理想之選。它比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠(yuǎn)。即將于2010年上市的雪佛蘭Volt混合動(dòng)力汽車如果僅僅使用電池，只能行駛40公里。盡管仍有改進(jìn)的空間，但鋰離子電池的潛力依然有限。普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的普及，能源密度需達(dá)到約6～7倍。于是，理論上能源密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。雖然仍使用有機(jī)溶媒，但它卻以全新的構(gòu)成極大提高電池的能量密度。鋰-空氣電池并非新概念。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質(zhì)，理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。如果負(fù)極使用金屬鋰，理論容量會(huì)比鋰離子充電電池提高一位數(shù)。為什么鋰-空氣電池未普及？原因是它存在致命缺陷，即固體反應(yīng)生成物氫氧化鋰（LiOH）會(huì)在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。2009年2月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所能源技術(shù)研究部門能源界面技術(shù)研究小組組長周豪慎和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）外籍特別研究員王永剛共同開發(fā)出了新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。他們通過將電解液分成兩種來解決上述問題。在負(fù)極（金屬鋰）一側(cè)使用有機(jī)電解液，在正極（空氣）一側(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進(jìn)電池發(fā)生反應(yīng)。負(fù)極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機(jī)電解液。雖然不能棄用有機(jī)溶媒，但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細(xì)化后的碳和低價(jià)氧化物催化劑形成的正極組合。在鋰-空氣電池中，由于放電反應(yīng)生成的并非是固體的Li2O，而是容易溶解在水性電解液中的LiOH（氫氧化鋰）。氧化鋰在空氣電極堆積后，不會(huì)導(dǎo)致工作停止。水及氮等也不會(huì)穿過固體電解質(zhì)的隔壁，因此不存在與負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。而且，在充電時(shí)，如果配置充電專用的正極，還可防止充導(dǎo)電致空氣電極的腐蝕和老化。實(shí)驗(yàn)證明，以1A/g的放電率進(jìn)行放電時(shí)，放電容量約為9000mAh/g，而以前的鋰-空氣電池的放電容量僅為700～3000mAh/g，可以說實(shí)現(xiàn)了容量的大幅增加。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中以1A/g的放電率連續(xù)放電20天，其放電容量約為5萬mAh/g（空氣極的單位質(zhì)量），比原來高一位數(shù)。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數(shù)，因此該數(shù)值共比鋰離子充電電池高兩位數(shù)。由于水溶液的性能較高，而在易用性上凝膠更為出色，科學(xué)家們今后需要考慮決定究竟對這兩者中的哪一個(gè)進(jìn)行開發(fā)。了解到，這種技術(shù)還可考慮與單純的充電電池不同的使用方法。如果不對電池進(jìn)行充電，而是通過汽車底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰，汽車便可實(shí)現(xiàn)無需充電等待時(shí)間，立即行駛。而且，通過回收用過的水性電解液，以電氣方式重新生成金屬鋰，還可繼續(xù)作為電池負(fù)極燃料循環(huán)使用，避免產(chǎn)生其他污染。鋰-空氣電池可以說是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池?？茖W(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實(shí)驗(yàn)室都在研究這種技術(shù)，但如果沒有重大突破，要想實(shí)現(xiàn)商用可能還需要10年。使能量密度達(dá)到現(xiàn)有任何電池的三倍，研究顯示金屬催化物在提高電池效率上起到重要作用。該校機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程副教授YangShao-Horn表示，許多研究團(tuán)隊(duì)如今正致力于鋰-空氣電池的研究，但還缺乏對何種電極材料能夠促進(jìn)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的理解。Shao-Horn和其團(tuán)隊(duì)成員在4月1日出版的《電化學(xué)與固態(tài)快報(bào)》上報(bào)道了其研究成果，在鋰-空氣電池中使用金或鉑金電極作為催化劑具有比單一碳電極高得多的反應(yīng)活性和效率。這項(xiàng)研究也為進(jìn)一步研究尋找更佳的電極材料，如金和鉑金或其他金屬的合金材料或金屬氧化物材料以及減少使用昂貴材料奠定基礎(chǔ)。論文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種分析電池中不同催化劑活性的方法，可以基于這項(xiàng)研究來試驗(yàn)多種可能的材料，以確定控制催化劑活性的物理特性，最終能夠預(yù)測催化劑的反應(yīng)活動(dòng)。鋰-空氣電池原理與鋰離子電池類似，而后者是便攜式電子產(chǎn)品使用的主要電源，而且在電動(dòng)汽車電源的競爭中也占據(jù)了領(lǐng)先地位。但由于鋰-空氣電池使用了碳基空氣電極和空氣流替代鋰離子電池較重的傳統(tǒng)部件，因此電池質(zhì)量更輕，這也使得包括IBM和通用汽車等大企業(yè)紛紛投身于鋰-空氣電池技術(shù)的開發(fā)當(dāng)中。但鋰-空氣電池在成為可商用化產(chǎn)品之前還有一系列的問題需要解決，其中最大的問題是如何確保在經(jīng)過了許多次的充放電過程后仍能保持其電力水平，可用在電動(dòng)汽車或電子產(chǎn)品中。研究人員還需要詳細(xì)研究充放電過程的化學(xué)問題，如產(chǎn)生了那些化合物，在哪里產(chǎn)生，以及它們之間如何相互反應(yīng)等。Shao-Horn坦承，這方面的研究還處于初級階段，部分企業(yè)將鋰-空氣電池研究視之為10年期的研發(fā)項(xiàng)目，但這是一個(gè)非常有前景的領(lǐng)域，如果能夠克服許多科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，真正實(shí)現(xiàn)能量密度達(dá)到鋰離子電池的兩到三倍，將能夠首先應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品如筆記本電腦和手機(jī)上，降低成本后更可作為電動(dòng)汽車電源。該項(xiàng)研究受到美國能源部的資助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美國國家科學(xué)基金會(huì)也給予了支持。根據(jù)《日刊工業(yè)新聞》報(bào)道，日本旭化成株式會(huì)社和Central硝子株式會(huì)社兩家企業(yè)正式參加美國IBMAlmadenReseachCenter正在進(jìn)行的鋰空氣電池研究項(xiàng)目。按照該項(xiàng)目研究分工，旭化成將利用其掌握的先進(jìn)膜技術(shù)，負(fù)責(zé)開發(fā)重要的有關(guān)膜部件；Central硝子負(fù)責(zé)開發(fā)新型電解液和高性能添加劑。研究小組計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的大量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等的大力支持下，中國科學(xué)院長春應(yīng)化所張新波研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)通過抑制鋰—空氣電池電解液分解，調(diào)控空氣電極固—液—?dú)馊嘟缑嬉约皟?yōu)化鋰—空二次電池體系與結(jié)構(gòu)，成功將鋰—空氣電池循環(huán)壽命從文獻(xiàn)報(bào)道的最長100次大幅提高至500次。針對鋰—空氣電池用電解液在電池反應(yīng)中均有不同程度的分解，造成不可逆產(chǎn)物的生成和自身的消耗，嚴(yán)重限制電池循環(huán)壽命的難題，該團(tuán)隊(duì)基于對現(xiàn)有電解液分解機(jī)理的認(rèn)識(shí)，首次將亞砜(DMSO)和砜(TMS)應(yīng)用于鋰—空氣二次電池中，有效促進(jìn)了可逆放電產(chǎn)物過氧化鋰（Li2O2）的生成，減少了副反應(yīng)；通過詳細(xì)考察空氣電極對鋰—空氣電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)空氣電極催化劑催化效率低、用于過氧化鋰等不溶放電產(chǎn)物存儲(chǔ)和反應(yīng)物傳輸?shù)目椎澜Y(jié)構(gòu)不合理、導(dǎo)電性差是制約鋰—空電池性能的關(guān)鍵因素?；诖?，該團(tuán)隊(duì)首次提出了石墨烯一體化空氣電極的概念，成功地在泡沫鎳基體中構(gòu)筑了三維多孔石墨烯。泡沫鎳所具有的高導(dǎo)電性，結(jié)合多孔