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电 池BATTERY BIMONTHLY

第42卷

用催化剂,电流密度(011mA/cm2)相对较高。

Y1Wang等[27]报道了三电解质体系的锂空气电池,负极(金属锂)采用有机电解液,正极(空气)使用水性电解液,两极由固体电解质隔开,以防止电解液混合。固体电解质只通过Li+,因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应产物具有水溶性,不产生固体物质,不会堵塞空气正极的碳孔。该电池可连续放电500h,有望实现持续还原空气中的氧气,达到像燃料电池一样持续供能。经过长时间的放电,工作电压为218V,电流密度为015mA/cm2,比容量可达50Ah/g,高于以前报道的有机体系锂空气电池

[2,3,5]

2)使用价格低廉且高效的催化剂来降低充放电时的过电势,是提高放电过程中的能量效率、延长循环寿命的关键。

3)制备具有新的纳米结构的空气正极材料。优化所有试剂(O2、Li+和电子)向催化剂活性表面传输的速度,并为固体锂氧化物产物提供适合的空间,减小电子在固体产物之间传输的阻碍也是很重要的。研制一种耐用的锂金属或者锂复合物电极,要求该电极能够在高电流密度下重复循环,因而限制有害环境影响锂和抑制枝晶生长。参考文献:

[1] TarasconJM,ArmandM1Issuesandchallengesfacingrecharge-ablelithiumbatteries[J]1Nature,2001,414(6861):359-3671[2] AbrahamKM,JiangZ1Apolymerelectrolyte-basedrechargeable

lithium/oxygenbattery[J]1JElectrochemSoc,1996,143(1):1-51[3] OgasawaraT,DebartA,HolzapfelM,etal1RechargeableLi2O2

electrodeforlithiumbatteries[J]1JAmChemSoc,2006,128(4):1390-13931

[4] LaoireCO,MukerjeeS,AbrahamKM1Elucidatingthemecha-nismofoxygenreductionforlithium-airbatteryapplications[J]1JPhysChemC,2009,113(46):20127-201341

[5] ReadJ1Characterizationofthelithium/oxygenorganicelectrolyte

battery[J]1JElectrochemSoc,2002,149(9):A1190-A11951[6] SandhuSS,BrutchenGW,FellnerJP1Lithium/aircell:prelim-i

narymathematicalformulationandanalysis[J]1JPowerSources,2007,170(1):196-2091

[7] LaoireCO,MukerjeeS,AbrahamKM1Influenceofnonaqueous

solventsontheelectrochemistryofoxygenintherechargeablelithium-airbattery[J]1JPhysChemC,2010,114(19):9178-91861

[8] LeeJS,KimST,CaoR,etal1Meta-lairbatterieswithhighener-gydensity:L-iairversusZn-air[J]1AdvEnergyMater,2011,1(1):34-501

[9] ReadJ1Characterizationofthelithium/oxygenorganicelectrolyte

battery[J]1JElectrochemSoc,2002,149(9):A1190-A11951[10] ReadJ,MutoloK,ErvinM,etal1Oxygentransportpropertiesof

organicelectrolytesandperformanceoflithium/oxygenbattery[J]1JElectrochemSoc,2003,150(10):A1351-A13561

[11] ReadJ1Ether-basedelectrolytesforthelithium/oxygenorganic

electrolytebattery[J]1JElectrochemSoc,2006,150(1):A96-A1001

[12] KubokiT,OkayamaT,OhsakiT,etal1Lithium-airbatteries

usinghydrophobicroomtemperatureionicliquidelectrolyte[J]1JPowerSources,2005,146(1-2):766-7691

[13] YeH,XuJJ,KhalfanA,etal1Liionconductingpolymergel

electrolytesbasedonionicliquid/PVDF-HFPblends[J]1JElec-trochemSoc,2007,154(11):A1048-A10571

[14] DebartA,PatersonAJ,BaoJ,etal1Alpha-MnO2nanowires:a

catalystfortheO2electrodeinrechargeablelithiumbatteries[J].AngewChemIntEd,2008,47(24):4521-45241

[15] LuY,XuZ,GasteigerHA,etal1Platinum-goldnanoparticles:a

highlyactivebifunctionalelectrocatalystforrechargeablelithium-airbatteries[J]1JAmChemSoc,2010,132(25):12170-121711

[ B,Jal1。

2 研究局限及解决方案

锂空气电池正极的结构与燃料电池相同,需要使用催化

剂促使氧进行反应,作为充电电池使用时,还需要还原在空气电极发生反应的Li2O2等物质。此外,也存在作为反应中间体的活性氧会与电解液发生反应的问题。

开发高性能的可充锂空气电池,要解决诸多与电解质、锂负极及空气正极相关的问题。研究者已开发出3种类型的电解质,即非水电解质[3,5]、凝胶状聚合物电解质[2]和固体电解质[28]。锂金属在非水电解质和固体电解质中都是稳定的,但这两种电解质遇到空气中的水分时会变得不稳定,是在长期运行中需要解决的问题[7]。

锂空气电池的概念很早就已提出,但至今未普及,原因是存在致命的缺陷,即固体反应生成物Li2O和Li2O2会在正极堆积,使电解液与空气的接触被阻断,导致放电终止。可通过将电解液分成两种解决这一问题,即负极电解液使用含锂盐的有机电解液,正极水性电解液使用碱性水溶性凝胶。在该电池中,放电反应生成的不是固体锂氧化物,而是溶解在水性电解液中的LiOH,因此,不会因固体物质沉积而导致放电终止。另外,水及氮等也不会穿过固体电解质,不存在与负极的金属锂发生反应的危险。固体电解质膜长时间在碱性溶液中使用会不稳定,使用酸性电解质可改善此问题;但经长时间放电后,酸性(或中性)溶液会转化为碱性溶液。在酸性(或中性)溶液中必须使用昂贵的催化剂(如Pt),因此,增加固体电解质膜在碱性溶液中的稳定性,是该系统进一步研究时要考虑的问题。

锂空气电池还受到许多问题的困扰:如充放电效率低,循环寿命短,反应速度慢,且金属锂电极在使用过程中易产生枝晶,导致短路等

[31]

[29-30]

[27]

。

3 结语

实验室获得的锂空气电池体系的实际能量密度远低于理论值,仍然有以下几个重要的技术难题有待研究:

1)锂空气电池在敞开环境中工作,有机液体电解质存在易挥发的问题,影响了电池的放电容量、使用寿命及电池的安全性,因此寻求更合适的电解质是很关键的。大气中H2O、CO2等引起的副反应产物析出,会导致空气回路堵塞,需要开发高效的空气过滤膜来分离O2,延长电池的寿命。负极金属锂会与H2O剧烈反应,空气中的微量水蒸气,足以[32]