鋰空氣電池研究述評

鋰空氣電池研究述評一、本文概述隨著全球能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境保護(hù)意識的日益增強(qiáng)，高效、環(huán)保的能源存儲技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點。鋰空氣電池作為一種新型高能量密度的二次電池，具有極高的理論能量密度和低成本的優(yōu)勢，因此備受關(guān)注。本文旨在全面綜述鋰空氣電池的研究現(xiàn)狀、存在問題以及未來發(fā)展趨勢，以期為推動鋰空氣電池的實際應(yīng)用提供有益的參考。本文將首先介紹鋰空氣電池的基本原理、結(jié)構(gòu)特點以及性能優(yōu)勢，闡述其作為下一代能源存儲技術(shù)的巨大潛力。接著，重點分析鋰空氣電池在材料選擇、電極設(shè)計、電池性能優(yōu)化等方面的研究進(jìn)展，同時探討其在實際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，如安全性、循環(huán)穩(wěn)定性、成本等問題。在此基礎(chǔ)上，本文還將展望鋰空氣電池的未來發(fā)展方向，包括新型電極材料的研究、電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、電解質(zhì)的改進(jìn)等方面，以期為鋰空氣電池的實用化進(jìn)程提供指導(dǎo)。二、鋰空氣電池的工作原理與類型鋰空氣電池的核心工作原理基于鋰與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。在放電過程中，鋰空氣電池的陽極由鋰金屬構(gòu)成，它與電解質(zhì)中的鋰離子發(fā)生反應(yīng)，釋放出電子。這些電子通過外部電路流向陰極，產(chǎn)生電流。同時，空氣中的氧氣透過陰極的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)入電池內(nèi)部，在陰極表面與水和電子反應(yīng)生成氫氧根離子（OH）。這些氫氧根離子與鋰離子結(jié)合，形成鋰水合氧化物（LiOH）或鋰過氧化鋰（Li2O2），儲存能量。在充電過程中，電池的陰極施加一個反向電壓，促使儲存的鋰水合氧化物或鋰過氧化鋰分解，釋放氧氣和電子。氧氣排出電池，電子回流至陽極，完成充電過程。非水性鋰空氣電池：使用非水性電解質(zhì)，如醚類或碳酸酯類溶劑，與鋰鹽混合。這種電池類型在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，但通常面臨較高的過電勢和較低的循環(huán)穩(wěn)定性問題。水性鋰空氣電池：使用水作為溶劑，與鋰鹽混合形成水性電解質(zhì)。這種電池具有較低的過電勢和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，但工作溫度范圍受限，通常需要在加熱的條件下運行。固態(tài)鋰空氣電池：采用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)，可以是聚合物或無機(jī)材料。固態(tài)電池提供了更好的安全性和更高的能量密度，但面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，如電解質(zhì)與電極的界面接觸問題和離子傳輸效率。有機(jī)無機(jī)雜化鋰空氣電池：結(jié)合有機(jī)和無機(jī)材料的優(yōu)點，使用有機(jī)聚合物作為電解質(zhì)基體，摻雜無機(jī)離子導(dǎo)體以提高離子傳輸效率。這種電池在提高電池性能方面顯示出潛力，但仍需進(jìn)一步研究以克服其穩(wěn)定性和壽命問題。通過深入研究鋰空氣電池的工作原理與類型，科學(xué)家和工程師可以不斷優(yōu)化這種電池技術(shù)，提高其能量密度、循環(huán)壽命和安全性，為未來的清潔能源存儲和電動交通工具提供更可靠的解決方案。三、鋰空氣電池的關(guān)鍵材料與技術(shù)正極材料是鋰空氣電池的核心部分。由于鋰空氣電池的工作原理涉及氧氣與鋰金屬的反應(yīng)，正極材料需要具備高的催化活性，以促進(jìn)氧氣的還原和析出。目前，研究者們正在探索各種催化劑，如貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物和碳納米材料等，以提高電池的放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。電解質(zhì)在鋰空氣電池中扮演著重要的角色。電解質(zhì)需要具有良好的離子導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，以防止電池內(nèi)部短路和燃燒。固體電解質(zhì)和離子液體等新型電解質(zhì)材料因其優(yōu)異的性能，在鋰空氣電池中得到了廣泛的關(guān)注和研究。鋰空氣電池的電池結(jié)構(gòu)和設(shè)計也是影響其性能的重要因素。研究者們通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，如采用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、多孔電極等，以提高電池的活性物質(zhì)利用率、反應(yīng)動力學(xué)和循環(huán)穩(wěn)定性。鋰空氣電池的安全性問題也不容忽視。由于鋰空氣電池在充放電過程中涉及到氧氣和鋰金屬的反應(yīng)，因此可能產(chǎn)生高溫、高壓甚至燃燒等安全問題。研究者們正在通過改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)和材料、引入熱隔離和安全閥等措施，以提高鋰空氣電池的安全性。鋰空氣電池的關(guān)鍵材料與技術(shù)涵蓋了正極材料、電解質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)和設(shè)計以及安全性等方面。隨著科技的不斷進(jìn)步，鋰空氣電池在這些關(guān)鍵領(lǐng)域的研究將有望取得更大的突破，推動鋰空氣電池向商業(yè)化應(yīng)用的邁進(jìn)。四、鋰空氣電池的性能評估與優(yōu)化鋰空氣電池作為一種新型高能量密度電池，其性能評估與優(yōu)化至關(guān)重要。性能評估主要涉及到能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性等方面的考量，而優(yōu)化則主要關(guān)注電池材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、反應(yīng)機(jī)制等方面的改進(jìn)。能量密度和功率密度是評估鋰空氣電池性能的重要指標(biāo)。高能量密度意味著電池在相同體積或質(zhì)量下能存儲更多的能量，而高功率密度則代表電池能在短時間內(nèi)釋放大量能量。為了實現(xiàn)這些性能的提升，研究者們需要不斷尋找具有更高理論容量的正負(fù)極材料，同時優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如電極的孔隙結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)的選取等。循環(huán)壽命是評估鋰空氣電池實用性的重要參數(shù)。由于鋰空氣電池在充放電過程中會涉及到復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，因此電池材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計都需要考慮到循環(huán)過程中的穩(wěn)定性和耐久性。電池在充放電過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物也需要得到有效管理和控制，以防止其對電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響。安全性是鋰空氣電池商業(yè)化進(jìn)程中必須考慮的因素。鋰空氣電池在工作過程中可能會面臨如過充、過放、短路等安全風(fēng)險，因此需要通過合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高電池的安全性。研究者們也需要不斷探索新的電池管理系統(tǒng)和故障預(yù)警機(jī)制，以確保電池在實際應(yīng)用中的安全可靠性。鋰空氣電池的性能評估與優(yōu)化是一個復(fù)雜而重要的過程，需要研究者們從多個角度進(jìn)行深入研究和探索。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)，相信鋰空氣電池將在未來得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。五、鋰空氣電池的安全性與可靠性鋰空氣電池作為一種新型的高能量密度電池，其安全性和可靠性一直是研究者們關(guān)注的焦點。安全性問題主要源于鋰空氣電池在工作過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)部短路、燃爆和燃燒等風(fēng)險，而可靠性問題則涉及到電池循環(huán)壽命、自放電率、存儲穩(wěn)定性等多個方面。在安全性方面，鋰空氣電池面臨著鋰金屬負(fù)極與空氣中的氧氣直接接觸所帶來的風(fēng)險。鋰金屬的高活性使得其在與氧氣接觸時容易發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生鋰氧化物，從而引發(fā)電池內(nèi)部短路。為了解決這個問題，研究者們嘗試采用多層結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)改性等手段來提高電池的安全性。多層結(jié)構(gòu)通過在鋰金屬負(fù)極和電解質(zhì)之間引入額外的隔離層，防止了鋰金屬與氧氣的直接接觸。而電解質(zhì)改性則通過改變電解質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，使其能夠在鋰金屬表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，從而抑制鋰金屬與氧氣的反應(yīng)。在可靠性方面，鋰空氣電池的循環(huán)壽命和自放電率是評估其性能的重要指標(biāo)。鋰空氣電池的循環(huán)壽命受到多種因素的影響，包括電解質(zhì)的穩(wěn)定性、電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及充放電過程中的副反應(yīng)等。為了提高電池的循環(huán)壽命，研究者們致力于開發(fā)更穩(wěn)定的電解質(zhì)材料和優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)。自放電率也是影響鋰空氣電池可靠性的重要因素。自放電率過高會導(dǎo)致電池在存儲過程中失去過多的電荷，從而影響其使用性能。為了降低自放電率，研究者們通過改進(jìn)電解質(zhì)材料和優(yōu)化電池制造工藝來減少電池內(nèi)部的副反應(yīng)。鋰空氣電池的安全性和可靠性是制約其實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。通過不斷優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和材料、改進(jìn)制造工藝以及深入研究電池的工作原理和失效機(jī)制，我們有望在未來實現(xiàn)鋰空氣電池的安全可靠應(yīng)用。這將為電動汽車、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展提供強(qiáng)大的動力支持，推動人類社會向更加綠色、高效的能源未來邁進(jìn)。六、鋰空氣電池的應(yīng)用領(lǐng)域與市場前景鋰空氣電池作為一種高能量密度的電池技術(shù)，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景引起了廣泛的關(guān)注。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，鋰空氣電池有望在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性的應(yīng)用。在移動能源領(lǐng)域，鋰空氣電池能夠為電動汽車、無人機(jī)和可穿戴設(shè)備等提供更長的續(xù)航時間。特別是電動汽車，鋰空氣電池的高能量密度有望解決當(dāng)前電池續(xù)航里程短、充電時間長等瓶頸問題，從而推動電動汽車的普及和發(fā)展。在固定能源存儲領(lǐng)域，鋰空氣電池可用于智能電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心等。其高能量密度和長壽命的特點，使得鋰空氣電池在提供穩(wěn)定電力供應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢，有助于解決可再生能源的間歇性問題，提高能源利用效率。在航空航天領(lǐng)域，鋰空氣電池的重量輕、能量密度高的特點使其具有潛在的應(yīng)用價值。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，鋰空氣電池有望為航空航天器提供更持久、更可靠的能源支持。鋰空氣電池的市場前景還取決于其成本、安全性、壽命等多個因素。目前，鋰空氣電池仍處于研究和開發(fā)階段，離商業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研發(fā)投入的增加，我們有理由相信，鋰空氣電池將在不久的將來實現(xiàn)突破性的進(jìn)展，并在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。七、鋰空氣電池研究的挑戰(zhàn)與展望鋰空氣電池作為一種理論能量密度極高的儲能技術(shù)，自其概念提出以來，就受到了廣泛關(guān)注。盡管在過去的幾十年中取得了一些令人矚目的進(jìn)展，但要實現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用，仍面臨著眾多挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)：目前，鋰空氣電池在充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制尚未完全明確，這限制了其性能的優(yōu)化和提升。電池中的氧氣電極材料在充放電過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性差。同時，電池中的電解質(zhì)材料也面臨著在充放電過程中易被氧化或還原的問題，這限制了電池的能量效率和循環(huán)壽命。安全挑戰(zhàn)：鋰空氣電池在工作過程中涉及到氧氣的參與，這增加了電池的安全風(fēng)險。一旦電池內(nèi)部發(fā)生短路或燃爆，可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。如何確保鋰空氣電池的安全性，是制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。展望：盡管鋰空氣電池面臨著諸多挑戰(zhàn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題有望得到解決。未來，研究者們可能會從以下幾個方面入手，推動鋰空氣電池的發(fā)展：深入研究反應(yīng)機(jī)制：通過先進(jìn)的表征技術(shù)和計算方法，深入研究鋰空氣電池在充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，為優(yōu)化電池性能提供理論指導(dǎo)。開發(fā)新型電極和電解質(zhì)材料：針對現(xiàn)有材料的不足，開發(fā)具有高穩(wěn)定性、高效率和長壽命的新型電極和電解質(zhì)材料，提升鋰空氣電池的綜合性能。強(qiáng)化安全設(shè)計：通過改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池管理系統(tǒng)等方式，提高鋰空氣電池的安全性，降低其在實際應(yīng)用中的風(fēng)險。鋰空氣電池作為一種極具潛力的儲能技術(shù)，雖然目前仍面臨著技術(shù)和安全方面的挑戰(zhàn)，但隨著科研工作的深入和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展，這些挑戰(zhàn)有望得到解決。未來，鋰空氣電池有望在電動汽車、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。八、結(jié)論鋰空氣電池作為一種具有高能量密度的能源存儲技術(shù)，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究。本文綜述了鋰空氣電池的研究進(jìn)展，包括其工作原理、分類、性能評估以及當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。通過對相關(guān)文獻(xiàn)的梳理和分析，我們發(fā)現(xiàn)鋰空氣電池在材料科學(xué)、電解質(zhì)設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理等方面取得了顯著的進(jìn)步。鋰空氣電池仍面臨一些亟待解決的問題，如循環(huán)穩(wěn)定性差、能量效率低、安全性不足等。這些問題限制了鋰空氣電池的商業(yè)化進(jìn)程和應(yīng)用范圍。未來研究應(yīng)重點關(guān)注如何提高鋰空氣電池的循環(huán)穩(wěn)定性，減少充放電過程中的副反應(yīng)，提升能量效率和安全性。鋰空氣電池在實際應(yīng)用中還需要考慮其成本、壽命和環(huán)保性等因素。未來的研究應(yīng)綜合考慮材料選擇、電池設(shè)計、生產(chǎn)工藝和回收利用等方面，以實現(xiàn)鋰空氣電池的可持續(xù)發(fā)展。鋰空氣電池作為一種具有潛力的能源存儲技術(shù)，在能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過不斷的研究和創(chuàng)新，我們有望克服當(dāng)前的技術(shù)難題，推動鋰空氣電池在電動汽車、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。參考資料：鋰空氣電池是一種極具前景的新型能源存儲系統(tǒng)，它通過結(jié)合金屬鋰的極高能量密度與空氣中的氧來產(chǎn)生電能。這篇文章將探討鋰空氣電池的研究現(xiàn)狀、基本工作原理、優(yōu)點、挑戰(zhàn)以及未來的研究方向。鋰空氣電池的基本工作原理是，在電池的負(fù)極上，鋰離子被氧化成鋰原子，而在正極上，氧被還原成氫氧根離子。在充放電過程中，鋰原子和氧原子在兩極之間遷移。高能量密度：鋰空氣電池的能量密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的鋰電池，有望大幅度提高電動汽車的續(xù)航里程。環(huán)境友好：鋰空氣電池中的活性物質(zhì)氧可以從空氣中直接獲取，不需要復(fù)雜的制備過程，更加環(huán)保?？扇夹缘停河捎谄涔ぷ鬟^程中產(chǎn)生的氫氧根離子濃度較低，鋰空氣電池的安全性較高，不易燃燒。空氣電極的性能衰減：由于在充放電過程中，氧需要在正極上還原成氫氧根離子，這會導(dǎo)致正極材料的性能衰減。鋰的沉積問題：在放電過程中，鋰原子會在負(fù)極上沉積，這可能會影響電池的循環(huán)壽命和安全性。電解質(zhì)的選擇：理想的電解質(zhì)需要同時具有良好的離子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，這給電解質(zhì)的設(shè)計和選擇帶來了挑戰(zhàn)。高效穩(wěn)定的空氣電極材料的研發(fā)：通過改進(jìn)正極材料和設(shè)計高效的氧傳輸路徑，以提高正極的穩(wěn)定性和性能。優(yōu)化鋰沉積的策略：通過調(diào)控負(fù)極的結(jié)構(gòu)和組成，改善鋰的沉積行為，提高電池的循環(huán)壽命。新型電解質(zhì)的設(shè)計與優(yōu)化：研發(fā)新型的電解質(zhì)材料，以滿足鋰空氣電池對于穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性的高要求。鋰空氣電池作為一種具有革命性的能源存儲技術(shù)，具有非常高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前的研究面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和新材料的開發(fā)，我們有理由相信，未來的鋰空氣電池將會更加高效、安全和環(huán)保，為人們的能源生活帶來革命性的變革。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，因為其陰極（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。配置了充電專用的正極，可防止充電時空氣極發(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，放電容量約為9000mAh/g。充電容量也約達(dá)到9600mAh/g。與此前報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，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(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)。實驗證明該電池可連續(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，汽車可實現(xiàn)連續(xù)行駛且無需充電等待時間?？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。可以說是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。鋰離子電池已經(jīng)開始在電動汽車上應(yīng)用，為了實現(xiàn)長距離行駛，作為蓄電池時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現(xiàn)長距離行駛，要實現(xiàn)長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價格大幅上升的問題。要實現(xiàn)電動汽車的普及，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困難，但要想實現(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力車和電動車的理想之選。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，要實現(xiàn)電動汽車的普及，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（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，不會導(dǎo)致工作停止。水及氮等也不會穿過固體電解質(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。而且，在充電時，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。實驗證明，以1A/g的放電率進(jìn)行放電時，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，汽車便可實現(xiàn)無需充電等待時間，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。科學(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。全球不少實驗室都在研究這種技術(shù)，但如果沒有重大突破，要想實現(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)隊成員在4月1日出版的《電化學(xué)與固態(tài)快報》上報道了其研究成果，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，可以基于這項研究來試驗多種可能的材料，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。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)項目，但這是一個非常有前景的領(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汽車電源。該項研究受到美國能源部的資助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美國國家科學(xué)基金會也給予了支持。根據(jù)《日刊工業(yè)新聞》報道，日本旭化成株式會社和Central硝子株式會社兩家企業(yè)正式參加美國IBMAlmadenReseachCenter正在進(jìn)行的鋰空氣電池研究項目。按照該項目研究分工，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。研究小組計劃到2020年實現(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)隊通過抑制鋰—空氣電池電解液分解，調(diào)控空氣電極固—液—氣三相界面以及優(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)隊基于對現(xiàn)有電解液分解機(jī)理的認(rèn)識，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?；诖耍搱F(tuán)隊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)合多孔石墨烯合適的孔道結(jié)構(gòu)，使得所制備的鋰—空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能；通過借助和發(fā)揮稀土鈣鈦石型復(fù)合氧化物優(yōu)異的電催化性能，有效降低了鋰—空氣電池充/放電過電位，進(jìn)一步提高了能量轉(zhuǎn)化效率和倍率性能。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，還首次設(shè)計和開發(fā)出可實用化、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋰—空氣二次電池電池組。劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)出了鋰—空氣電池的實驗室模型，解決了與相似的化學(xué)電池有關(guān)的數(shù)個問題。他們開發(fā)的鋰-空氣電池能量密度高，充電次數(shù)“超過2000次”，能源使用效率理論上超過90%。2022年1月，日本國家材料科學(xué)研究所（NationalInstituteforMaterialsScience）和軟銀集團(tuán)（Softbank）的研究人員開發(fā)了一種可充電的鋰空氣電池，并聲稱其能量密度大大超過了傳統(tǒng)的鋰離子電池。隨著科技的快速發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可或缺的能源存儲設(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。鋰空氣電池在實際應(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