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鋰空氣電池有哪幾種?

目前鋰空氣電池主要有有機(jī)水混合體系鋰空氣電池和固態(tài)體系鋰空氣電池這兩大類,它們有各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

1、有機(jī)水混合體系鋰空氣電池

有機(jī)水混合體系鋰空氣電池

在有機(jī)水混合體系中,金屬鋰電極一側(cè)為有機(jī)電解液,空氣電極一側(cè)為水相電解液。通過(guò)反應(yīng)可知,放電反應(yīng)的產(chǎn)物具有很好的溶解性,不存在電極堵塞的問(wèn)題。對(duì)于有機(jī)-水混合鋰-空氣電池,其最關(guān)鍵的問(wèn)題在于要完全消除金屬鋰與H。0、0。之間的反應(yīng),就是要尋找合適的有機(jī)相與水相的隔膜,該隔膜需要具有良好的室溫Li*導(dǎo)通性,要能很好地阻止H_0與0。通過(guò),對(duì)有機(jī)與水相電解液均具有極好的抗化學(xué)腐蝕性,此外還需具備高的機(jī)械強(qiáng)度。目前有機(jī)-水混合體系的相關(guān)研究工作主要使用超級(jí)鋰離子導(dǎo)通玻璃膜(Lithium Super-Ionic Conductor Glass Film,簡(jiǎn)稱LISICON)作為隔膜。

研究發(fā)現(xiàn)利用LISICON作為隔膜,將具有很高氧氣擴(kuò)散速率的多孔空氣電極引入到有機(jī)-水混合體系中,發(fā)展出了Lil有機(jī)電解液|LISICON 膜|10mL 1mo1/L KOH|Mng0,為結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池,使用廉價(jià)的Mn304代替Pt作為催化劑,利用Mna0活性碳復(fù)合材料作為電池的空氣電極,該電池可以連續(xù)放電500h,根據(jù)碳、膠粘劑以及催化劑的總重計(jì)算得空氣電極的比容量達(dá)到50000mAh/g,是目前所有鋰空氣電池報(bào)道的最高值。對(duì)該體系,研究員還提出了通過(guò)回收LiOH溶液提煉金屬鋰,從而實(shí)現(xiàn)鋰循環(huán)利用的理念。在0.5mA/cm2電流密度下,該電池的放電電壓約為3.1V,充電電壓約為3.8V,充放電電壓差約為0.7V,遠(yuǎn)小于有機(jī)體系的平臺(tái)電壓差。最近研究發(fā)現(xiàn)利用金屬Cu腐蝕的機(jī)制,通過(guò)Cu與Cu20之間的循環(huán),來(lái)催化02還原反應(yīng)。在含有空氣的水溶液中,通常Cu將發(fā)生如下腐蝕反應(yīng):2Cu+0.502→Cu20,如果Cu表面生成的Cu20能夠從外電路得到電子,Cu20又將被還原成Cu,反應(yīng)為:Cu20+H20+2e-1→2Cu+202以上兩反應(yīng)的總反應(yīng)即為:0.502+H20+2e-1-20H這就是02在Cu表面的電化學(xué)還原過(guò)程。該思路為鋰電池、燃料電池以及金屬腐蝕領(lǐng)域提供了一個(gè)新的研究方向。

2、固態(tài)體系鋰空氣電池

固態(tài)體系鋰空氣電池

固態(tài)電池一直是鋰離子電池領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。研究固態(tài)、可充電、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰空氣電池。該電池由金屬鋰作為負(fù)極,通過(guò)玻璃-陶瓷(GC)與聚合物-陶瓷材料碾壓制備的高鋰離子導(dǎo)通的固態(tài)電解液膜作為隔膜,高比表面積碳與離子導(dǎo)通的GC粉末混合所制備的固態(tài)復(fù)合材料為空氣電極。GC固體電解液膜具有很好的鋰離子電導(dǎo)率(30℃時(shí)大約為10-2S.ml)PC膜可以降低電池的阻抗,增強(qiáng)負(fù)極上的電荷傳輸能力,并且可以將負(fù)極與GC膜進(jìn)行很好的電化學(xué)連接。利用A1箔包覆在金屬鋰的表面,一方面可以保護(hù)鋰,同時(shí)可以保證電池的阻抗穩(wěn)定。

充放電過(guò)程中,電池具有低的極化,其充、放電電壓可逆性較好。通過(guò)進(jìn)一步系統(tǒng)的研究,鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的比能量將可以超過(guò)1000Wh/kg。最近,利用氮摻雜的高比表面積碳作為固態(tài)鋰空氣電池的正極,電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,其放電容量是未進(jìn)行氮摻雜的碳所組裝電池的兩倍。

金屬鋰在循環(huán)過(guò)程中的枝晶問(wèn)題一直制約著其實(shí)際使用。人造鋰離子導(dǎo)通防護(hù)層的使用可以減少枝晶的形成,因此,高性能金屬鋰防護(hù)層的研發(fā)對(duì)于未來(lái)鋰空氣電池的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

循環(huán)性能、能量效率、空氣過(guò)濾膜、高性能的LISICON膜、金屬鋰的防護(hù)是鋰-空氣電池體系的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。以上這些問(wèn)題的解決,將會(huì)推動(dòng)鋰空氣電池走向?qū)嶋H的應(yīng)用。

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