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锂空气电池使用氧气作为阴极反应物，金属锂作为阳极。它具有较高的理论能量密度（3500wh/kg），其实际能量密度可达到500-1000wh/kg，远高于传统的锂离子电池系统。锂空气电池由阴极、电解质和阳极组成。在非水电池系统中，目前主要使用纯氧作为反应气体，因此锂空气电池也可以称为锂氧电池。

1996年，Abraham等人在实验室成功组装了第一个非水锂空气电池。随后研究人员开始关注非水锂空气电池的内部电化学反应和机理；2002年，Read等人发现锂空气电池的电化学性能取决于电解质溶剂和空气阴极材料；

2006年，小笠原等人使用质谱仪首次证明Li2O2在充电过程中被氧化并释放出氧气，这证实了Li2O2的电化学可逆性。锂空气电池因此得到了广泛的关注和快速发展。

 

锂空气电池组成及工作机理

由于金属空气电池的主要活性物质氧气来自大气，因此不需要特殊的容器来储存，从而减少了电池的整体质量，从而使电池有足够的空间来提供更多的能量。理论上，电池的容量仅取决于阳极金属材料的容量。

然而，在大多数金属阳极中，锂金属具有最轻的质量（Mw=6.94 g mol-1，ρ=0.535 g cm-3）和-3.045 V的电负性（与标准氢电极的SHE电势相比），锂金属的理论比容量为3860mAh/g，

基于该计算，锂空气电池的理论比能量密度为5200Wh/kg（考虑活性材料的氧质量）或11400Wh/kg（通过排除活性材料的氧气质量计算），其比能量密度接近传统汽油（约13200Wh/kg），约为传统锂离子二次电池的5至10倍。这都是理论上的。

 

锂空气电池的主要类型

锂空气电池，阴极是纯金属锂片，其中含有大量催化剂空气正极和电解质。电解质的类型不同，其工作过程也略有不同。

根据电解质体系，锂空气电池主要分为有机电解质液体（非水电解质体系）、水电解质体系、混合电解质体系和全固体电解质体系。

 

 

总体而言，锂空气电池可分为六类：有机系统、水性、离子液体系统、有机水性双电解质系统、全固态系统和锂空气超级电容器电池。

 

水性锂空气电池

水电解质锂空气电池，电解质是各种不同pH值的水溶液，在不同的酸性和碱性电解质中，电池的化学反应也不同。由于金属锂可以与水发生剧烈的氧化还原反应，因此有必要在金属锂的表面涂覆一层对水稳定的锂离子传导膜，即NASICON型超级锂离子传导薄膜（LTAP）Li3M2（PO）4。然而，它在与锂接触时并不稳定，反应产物会增加两者之间的界面阻抗。

水性锂-空气电池的概念较早提出，它不存在空气电极反应产物堵塞有机系统中空气电极的问题，但锂阳极的保护尚未得到很好的解决，包括LTAP在水溶液中的稳定性，这仍然是该系统的研究方向。锂金属在含水电解质中被严重腐蚀，自放电率特别高，使得电池周期和库仑效率非常低。

 

 

有机锂空气电池

该系统使用锂金属作为阳极，氧气作为阴极，聚丙烯腈（PAN）基聚合物作为电解质（溶剂PC，EC），开路电压（OCV）约为3V，比能量（不包括在电池壳中）为250-350Wh/kg。

由于使用有机溶剂作为电解质，解决了金属锂的腐蚀问题，并且电池表现出良好的充电和放电性能。空气电极由碳、粘合剂、非碳催化剂和溶剂制成，它们均匀混合并涂覆在金属网上。

制备的空气电极应具有良好的电导率（>1S/cm）、离子电导率（>10~2S/cm）和氧扩散系数。影响电池性能的最明显因素是空气电极的电极材料、氧还原机制和相应的动力学参数。

在上述反应产物中，只有过氧化锂Li2O2的反应是可逆的，换言之，研究人员需要尽最大努力提高反应中过氧化锂的比例，降低氧化锂的比重，以实现锂空气电池的循环充放电能力。

对于具体决定产品类型的因素没有一致意见。有些人认为空气电极的极化水平会影响过氧化物的比例，有些人认为催化剂的影响更大，有些人则认为电解质材料起主要作用。

 

水-有机双液系统锂-空气电池

水溶液是有机双液体系锂空气电池的基本形式，电池中的阳极金属锂在有机电解质中，阴极空气电极一侧的电解质是KOH水溶液，中间由超级锂离子导电玻璃膜（锂超级离子导体玻璃膜，LISICON）隔开。

这种新型锂空气电池的新颖之处在于，无需担心空气电极反应产物堵塞有机体系中电极的微孔，并且水相中的氧在空气电极上被还原为水溶性LiOH。隔膜是该技术的关键部件，其耐碱性较差，其电阻与放电电流密度有关，这是该技术路线中令人不满意的难点。

 

 

全固态锂空气电池

全固态锂空气电池，中间的电解液由3部分组成，中间层的玻璃陶瓷比例最大，具有良好的耐水性，在锂阳极和氧阴极附近有两层不同聚合物材料的薄层。

全固态锂空气电池没有液体泄漏问题，安全性得到了提高。然而，固体电解质与锂阳极、空气电极和固体电解质的内部之间的接触将不如液体电解质的接触紧密，这可能导致电池的内阻增加。与有机系统锂空气电池相比，该系统的结构也更加复杂。

固态锂空气电池的发展经历了从高温到中温和室温的工作温度，电池结构从复杂到简单。电池反应是从基于氧离子传输在阳极产生放电产物到基于锂离子传输在阴极产生放电产物的过程。

尽管如此，由于速率性能的巨大差距，当前基于锂离子传输的固态锂空气电池需要在电池结构、界面调节、充放电机制等方面取得进一步突破。

 

离子液体系统锂空气电池

什么是离子液体，由有机阳离子和阴离子组成的盐溶液。目的是利用电解质中的阳离子在锂阳极和氧阴极之间传递电荷。

离子液体由于其低可燃性、疏水性、低蒸汽压、宽电化学窗口和高热稳定性而被引入锂空气电池，但其高粘度和高价格在一定程度上限制了离子液体的进一步应用。

 

 

锂空气电池的优缺点

优点

1） 低成本，阴极活性材料使用空气中的氧气，不需要存储或购买成本，并且空气电极使用廉价的碳载体。

2） 高能量密度，与传统的锂离子电池相比，锂空气电池的能量密度为5200Wh/kg，其能量密度可以达到11140Wh/kg，而不计算氧气的质量，这比现有的电池系统高出一个数量级。

3） 环保型锂空气电池不含铅、镉和汞等有毒物质，是一种环保型电池系统。

缺点

一般来说，锂空气电池反应产物中存在很大比例的不可逆成分，这是各种技术路线无法避免的不可避免的问题，必须正面解决。每种技术路线中的缺点在分类和存在的问题中基本上都已提及，这里不再赘述。定制锂电池，选择泰科伦。