什么是鋰-空氣電池？

簡單點說，與傳統鋰離子電池以過渡金屬氧化物作為正極材料不同，鋰-空氣電池是一種用金屬鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。金屬鋰代替石墨作為負極的一個優點是金屬鋰（3860 mAh·g-1）有著將近10倍于石墨（372 mAh·g-1）的比容（Specific Capacity）。與所有的電池一樣，鋰-空氣電池也是由基本的三部分組成：正極、負極、電解質，外電路由導線連接傳導電子，內電路由電解質連通傳遞離子。其工作原理如圖4所示：

圖4：鋰-空氣電池工作原理示意圖。

鋰-空氣電池以金屬鋰為負極，由碳基材料組成的多孔電極為正極。放電過程中，金屬鋰在負極失去電子成為鋰離子，電子通過外電路到達多孔正極，將空氣中的氧氣還原，而鋰離子穿過電解質到達多孔正極，與氧氣和電子形成過氧化鋰（Li2O2）（主要產物）。這一反應持續進行，電池便可以向負載提供能量。充電過程正好相反，在充電電壓的作用下，放電過程中產生的放電產物首先在多孔正極被氧化，重新放出氧氣，鋰離子則在負極被還原成金屬鋰。

由于負極材料是很輕的多孔碳材料，而氧氣則從環境中取得，因此鋰-空氣電池的重量主要取決于正極材料和電解液了。減輕了附中的鋰-空氣電池因此相較于鋰離子電池有了更高的能量密度。

鋰-空氣電池的分類

鋰-空氣電池的負極材料是金屬鋰、正極是能通過O2的多孔碳基材料，我們通常根據電解質的不同將鋰空氣電池分為四類：非質子性鋰-空氣電池、水體系鋰-空氣電池、混合型鋰-空氣電池和固態鋰-空氣電池。

圖5：四種類型鋰-空氣電池結構示意圖。

非質子鋰-空氣電池：

典型非質子鋰-空氣電池設計由一個金屬鋰陽極、一個添加催化劑粒子的多孔碳基材料陰極，以及溶解鋰鹽的非質子性溶劑電解質組成。常用的非質子電解質包括有機碳酸鹽、醚、酯、鋰鹽溶劑等。非質子電解質是目前應用最多的電解質，優點是氧溶解度高、對鋰腐蝕性小、電池結構簡單、可操作性好，缺點是放電產物為固體，容易阻塞空氣正極，且鋰氧化物中只有Li2O2能在充電過程中分解，電池循環性能較差。

水體系鋰-空氣電池：

水體系鋰-空氣電池由鋰金屬陽極、水電解質和多孔碳陰極組成。水電解質結合了溶解在水中的鋰鹽。它避免了陰極堵塞問題，因為反應產物是水溶性的。與非質子溶劑相比，水設計具有較高的實際放電潛力。然而，鋰金屬與水有劇烈的反應，因此水的設計要求鋰和電解液之間有一個固體電解質界面。

混合體系鋰-空氣電池：

水體系-非質子鋰-空氣電池或叫混合體系鋰-空氣電池，它的設計試圖聯合非質子和水體系電池設計的優點。混合設計的共同特征是一個由鋰導電膜連接的兩部分（一部分是水，一部分是aprotic）。當陰極與水面接觸時，陽極與非質子端毗鄰。鋰導電陶瓷通常被用作連接兩個電解質的薄膜。

固態鋰-空氣電池：

目前的固態鋰-空氣電池使用鋰做負極，陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷作為電解質，多孔碳作為正極。陽極和陰極通常由聚合物-陶瓷復合材料分離，在陽極上加強電荷轉移，并將陰極與電解液結合在一起。聚合物陶瓷復合材料降低了整體阻抗。固態電池設計增強了安全性從而消除了點火破裂的可能性，但缺點是大多數玻璃陶瓷電解質的導電性低。

鋰-空氣電池的優勢與缺陷？

鋰-空氣電池應用到汽車領域的理念，早于1970年就被提出，但受當時材料技術發展所限，一直未能深入研究，至今也尚未實現商業化應用。隨著電動汽車產業的發展以及材料科學技術的提升，鋰-空氣電池也開始備受關注，原因之一是其理論比能量很高。對鋰和氧（空氣中）進行配比，理論上可以使電化學電池具有最高的能量。事實上，非水體系鋰空氣電池的理論能量約12kWh/Kg，這相當于汽油的理論能量（13kWh/Kg），遠遠高出鋅空氣電池、鋰離子電池、鋰硫電池等（如圖3所示）。而實踐中，每塊鋰-空氣電池的特定能量也達到了1.7kWh/kg，這比一塊商業鋰離子電池要大5倍，足以運行一輛2噸的全電動汽車（FEV），只需使用60公斤的電池就可以行駛500公里。

鋰-空氣電池的另一個重大優勢就是正極的活性物質氧氣是直接來源于周圍空氣，因而是取之不盡用之不竭的，并且不需要儲存在電池內部，這樣既降低了成本又減輕了電池的重量，電池的能量密度完全取決于金屬鋰一側。而在電池的充放電全過程中，不會產生對環境有害的物質，完全是零污染的綠色過程。

然而，細心的讀者應該注意到了，在所謂的“（金屬）鋰-空氣（氧氣）電池”的工作環境下，實際起到功能作用的是空氣中的氧氣。因此，并非如名字般美好，鋰-空氣電池對工作環境還是有一定的要求。因此鋰-空氣電池還有很多問題沒有得到解決：大氣中H2O、CO2的影響所產生的副反應，放電生成物析出導致空氣回路的堵塞，大的充放電過電壓導致的催化劑問題，以及空氣電極炭集流體的腐蝕等。更有研究表明大氣中的氮氣也不甘寂寞的參與進此反應。

同時，Li2O2析出反應的抑制直接關系到電池的放電容量，關于Li2O2析出的另一個問題是充電時過電壓較大，這不僅關系到能量的轉換效率，還會引起Li2O2析出載體炭的氧化等新問題。

鋰離子與氧氣共存的條件下，碳材料的電位升高，生成碳酸鋰，過高的電壓有可能導致電解液分解，因此對空氣電極有各種討論。普遍認為，鋰-空氣電池正極的結構、組成和空氣催化劑的催化活性對電池比容量與循環性能有重要的影響，如Bruce等研究小組報道α-MnO2的納米線與碳進行復合，具有高的可逆性。

未來

隨著石油、煤炭等能源的日漸匱乏以及環境污染的日益加重，發展高效清潔能源勢在必行，而鋰-空氣電池優越的理論性能毋庸置疑會使其成為科研和商業應用領域關注的重點。目前各種類別的鋰-空氣電池都有各自的優缺點，無論是因液相電解液揮發還是多孔碳電極材料傳導催化效能而影響到電池性能，鋰-空氣電池想要實現商業應用，找到具有競爭力的市場定位，都必須解決循環壽命、能量效率、空氣過濾膜、金屬鋰防護等關鍵問題。相關領域的科研工作者們也在不斷努力，共同推動鋰-空氣電池實現實際應用。與傳統的金屬空氣電池相比，鋰-空氣電池具有更小的體積、更輕的重量、更高的工作電壓、更高的比能特性，因而在軍事、野外、電動汽車、水上等領域都有廣闊的應用前景。

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