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    介紹鋰空氣電池的工作原理

    鉅大LARGE  |  點擊量:1276次  |  2021年02月26日  

    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,且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池采用鋰作為負極活性材料,采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料,按電解質體系重要分為有機電解液體、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態電解質體系。


    當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,到達負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,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負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+穿過電解質材料,在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰(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生氧還原反應,形成氫氧化物。其放電反應方程為:


    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膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態下,Li的自放電率很高,并伴隨著Li的腐蝕反應:


    Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)


    在水系電解液中,金屬Li極易和水反應,因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求,目前還沒有商業化的產品。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1-3式計算,鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg,在實際應用中,由于氧氣來自外界環境,排除氧氣后的能量密度高達11430Wh/kg。目前關于全固態鋰空氣電池報道較少,其具有穩定性好、循環性能好、防止形成鋰枝等優點,但其低導電性,容量和能量密度限制了其發展。每一種電池體系都有其各自的優點,同時也都面對著反應機理和工藝設計的難題。目前關于鋰空氣電池的研究大多數是采用有機電解液體系。


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