锂空气电池 - 简介

循环使用锂的“金属锂燃料电池”

日本产业技术综合研究所近日发表新闻公报说，来自该所和日本学术振兴会的研究人员研发出一种新型锂－空气电池。这种无需充电的燃料电池将来有望为车辆提供动力。  

迄今报告的锂－空气电池存在固体反应生成物氧化锂堆积到正极，阻碍电解液与空气接触，进而导致电池放电中止等问题。而最新研发的这种锂－空气电池解决了这一问题，大大提高了电池的放电性能。 

研究人员在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液，两者之间用固体电解质隔离，防止两种电解液混合。中间的固体电解质只有锂离子能通过。新型锂－空气电池放电反应生成的固体物质不是氧化锂，而是易溶于水性电解液的氢氧化锂。这样就不会引起正极的碳孔被堵塞，从而解决了以往锂－空气电池固体反应生成物阻碍电解液与空气接触的问题。  

在实验中，研究人员分别用碱性水溶性凝胶和碱性水溶液作正极的电解液，结果发现，这种新型锂－空气电池的放电性能都比以往该类型电池大幅提高，特别是如果用碱性水溶液作正极电解液，使电池在空气中以0.1安培／克的放电率放电，那么电池可连续放电20天。 

这种新型锂－空气电池无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。正极生成的氢氧化锂可以从使用过的水性电解液中回收，再提炼出金属锂，金属锂则可再次作为燃料循环使用。公报说，这种新型锂－空气电池将来有望发展成“金属锂燃料电池”。

锂空气电池 - 设计

新结构“锂空气电池”的构成

日本产业技术综合研究所发布的锂空气电池的设计构思是，只在金属锂的负极使用有机电解液，正极的空气级使用水性电解液。既可以用作充电电池也可用作燃料电池使用。 

如果在负极的有机电解液和空气极的水性电解液之间，用只能通过锂离子的固体电解质隔开的话，可防止两电解液发生混合，而且能促进电池发生反应。这样，能够防止正极的固体反应生成物——氧化锂（Li2O）析出。 

该电池通过放电反应生成的不是固体氧化锂（Li2O），而是易溶于水性电解液的氢氧化锂（LiOH），这样就不会引起空气极的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。此外，配置了充电专用的正极，可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。

负极采用金属锂条，负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质。正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合。 

放电时电极反应如下: 

（1）负极反应（Li → Li+ + e-） 
金属锂以锂离子（Li+）的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子（Li+）穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。 

（2）正极反应（O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-） 
通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子（OH-）。在正极的水性电解液中与锂离子（Li+）结合生成水溶性的氢氧化锂（LiOH）。 

充电时电极反应如下: 

（1）负极反应（Li+ + e- → Li） 
通过导线供应电子，锂离子（Li+）由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。 

（2）正极反应（4OH- → O2 + 2H2O + 4e-） 
反应生成氧。产生的电子供应给导线。

使用了此次新开发的碱性水性电解质凝胶的锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率放电时，放电容量约为9000mAh/g。另外，充电容量也约达到9600mAh/g。与此前报道的原锂空气电池的容量（700～3000mAh/g）相比，放电容量大幅提高。而使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶后，在空气中以0.1A/g的放电率放电时，可连续放电20天，放电容量约为50000mAh/g。 

新的锂空气电池没电时也无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。这是一种新型燃料电池，名为“金属锂燃料电池”。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂（LiOH），很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行再利用。

锂空气电池 - 性能

锂空气电池

锂空气电池这是一种由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。

理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问题。

负极(金属锂)采用有机电解液，正极(空气)方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。

该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。
　　
锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大幅上升的问题。

要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约6～7倍。因此，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。

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