什么是鋰空氣電池？它和鋰離子電池有何區(qū)別

什么是鋰空氣電池？

　　鋰空氣電池，更準(zhǔn)確的稱呼應(yīng)該是鋰氧電池（Li-O2），是一種用鋰作負(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因?yàn)槠潢帢O（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質(zhì)（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。電池放電時(shí)，由氧氣氧化鋰單質(zhì)生成過氧化鋰（Li2O2），在外電路中產(chǎn)生電流；充電時(shí)再由過氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過程無需其它質(zhì)量較大的元素參與，而陰極則可以直接使用重量和成本都可以忽略不計(jì)的空氣。

鋰空氣電池工作原理

　　鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，形成氫氧化物。其放電反應(yīng)方程為：

　　4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

　　放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護(hù)膜而阻礙電化學(xué)反應(yīng)的快速進(jìn)行。在開路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應(yīng)：

　　Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

　　在水系電解液中，金屬Li極易和水反應(yīng)，因此對(duì)鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。

然鵝，鋰空氣電池在電池業(yè)內(nèi)，卻是罵聲一片，這究竟是為什么？這是一個(gè)超大的忽悠坑，鋰電內(nèi)大牛之一Jeff Dahn以不客氣出名，把鋰空批得狗血淋頭，他有個(gè)評(píng)價(jià)鋰空的ppt一搜就有，應(yīng)該去看看什么才是小李飛刀。他因?yàn)槎姵?，所以每一刀都?xì)⒌街旅μ帲襾硖魩讉€(gè)擺擺：

　　1.鋰空電池那高得嚇人的比容量是純扯淡，因?yàn)檫@是基于Li和O2這種質(zhì)量幾乎無算的物質(zhì)算出來的，你拿一個(gè)小小數(shù)當(dāng)分母，當(dāng)然會(huì)除出來一個(gè)巨大的數(shù)字，這小學(xué)生都會(huì)玩。但是電池的真正容量要算就要老老實(shí)實(shí)算上所有的電極組件（這還不包括把純氧從空氣中分離出來的設(shè)備，或者純氧鋼瓶的質(zhì)量，這些咱下面再說），Jeff Dahn一算，哈哈，并不比LiCoO2高多少。牛皮被徹底踢爆。

　　君不見后來蘇格蘭那位壞了名聲的鋰空“大牛”也只好扭扭捏捏地把Au電極的質(zhì)量也算進(jìn)去了，Au有多重多貴，做電池是給土豪專用的嗎？（不過人家依然發(fā)在Science上，不服不行），結(jié)果容量現(xiàn)在捏去了水分就只有500多了（用了Au你還想要多少）。

　　2.鋰空還是鋰-純氧？這是兩個(gè)巨大不同的概念。鋰空概念股忽悠的是可以用免費(fèi)的空氣實(shí)現(xiàn)巨大的容量，這簡(jiǎn)直就是另一個(gè)神奇的水變油！但事實(shí)是必須用純氧，你不知道氮?dú)庖矔?huì)和鋰反應(yīng)吧，而且是不可逆的，那么空氣中多少氮?dú)獍?？所以做鋰空的人大腦會(huì)自動(dòng)過濾去”如何有效可靠地從空氣中分離出純氧“這個(gè)問題，這是一個(gè)一直以來極其具有挑戰(zhàn)性的問題，如果可以實(shí)現(xiàn)非常高效低成本地從空氣中分離出純氧，那么很多能源問題就解決了，還費(fèi)勁地搞什么電池？

　　對(duì)了，由于鋰空體系出了名的活潑（等下講），一般必須用高純氧，一般純氧里面有點(diǎn)點(diǎn)水啊什么的，那你就等著和鋰電極或電解液反應(yīng)吧。想象一下以后汽車上載一個(gè)高純氧的大鋼瓶，這是在做火箭嗎？

　　3.IBM當(dāng)年不知道被哪個(gè)作孽的給忽悠了，砸了一堆錢在鋰空項(xiàng)目上。但是后來整個(gè)項(xiàng)目被全部連根鏟掉，那個(gè)領(lǐng)頭的去了伯克利當(dāng)發(fā)考題。其實(shí)IBM還是真正的業(yè)界良心，人家靜下心來好好研究了一番，結(jié)果最終發(fā)現(xiàn)----是誰把我們帶到這個(gè)遭瘟的大坑里來了。

　　事實(shí)是，這個(gè)體系比以前想象的要復(fù)雜太多，太多副反應(yīng)，Li2O2、電極、電解液之間都有復(fù)雜的副反應(yīng)，尤其是充電的過程，理應(yīng)釋放出O2，但是IBM測(cè)了很多不同電解液和電極體系發(fā)現(xiàn)很多其實(shí)并不是原來聲稱的那樣。很多原來發(fā)表的文章現(xiàn)在看來其實(shí)都是電解液的副反應(yīng)，錯(cuò)得離譜！那一堆堆的文章，很多人大名都署在上面，比

　　如蘇格蘭的那位，本來是業(yè)界大牛，結(jié)果一不小心老了老了晚節(jié)不保了。雖然大家相信這都是“誠(chéng)實(shí)的錯(cuò)誤”不是學(xué)術(shù)腐敗，但不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿弊哟蠹倚睦镌缇徒o老人家戴上了。確實(shí)很匪夷所思，那時(shí)鋰空吹得那么火，文章發(fā)的一堆堆，為什么就沒有人稍微看一看究竟電極反應(yīng)的產(chǎn)物是什么呢？只要照一個(gè)紅外，大學(xué)本科生都能做，就能看到那一堆電解液副反應(yīng)的產(chǎn)物（如碳酸鹽）。結(jié)果大家竟然都想當(dāng)然地以為就是應(yīng)該像想象中的反應(yīng)一樣進(jìn)行，這是什么鬼科研思維。

　　后來蘇格蘭的那位還在發(fā)，去年還有篇Nature Chem，用TTF做redox mediator，說是可以解決充電過程中overpotential的問題（他們竟然用的是眾所周知對(duì)鋰不穩(wěn)定的DMSO作為電解液），當(dāng)然，大家都重復(fù)不出來他的結(jié)果。我和IBM那個(gè)被忽悠后去伯克利當(dāng)發(fā)考題的大哥聊了一次，發(fā)現(xiàn)他們?cè)诒籌BM砍掉前也重復(fù)過了，結(jié)果也郁悶地發(fā)現(xiàn)用TTF甚至比不用釋放的氧氣還少，證明TTF也在參與副反應(yīng)，然后他們就沒有然后了。我說我們其實(shí)也聽說加了TTF電解液顏色都變了，然后我們默默無言以對(duì)。。。我們?cè)趯?duì)方眼中都看到了一千批駝羊同時(shí)飛過。

　　所以現(xiàn)在新興一個(gè)奇葩鋰空方向是來給鋰空電池系統(tǒng)找各種奇葩缺陷，這種“找錯(cuò)誤”的游戲也竟然發(fā)了不少文章那！很多文章還確實(shí)不錯(cuò)，各種技術(shù)手段用起來一測(cè)，哈，發(fā)現(xiàn)這個(gè)鋰空可真有意思，什么副反應(yīng)都有。不過這些文章最起碼更靠譜一些，能給不知水深水淺的菜鳥們提個(gè)醒，別一不小心掉到坑里。

　　掉到這個(gè)坑里最著名的人是前DOE掌門人Steven 朱，人家是搞物理的，作為拿過諾獎(jiǎng)的大牛，不知被哪個(gè)缺德的給忽悠了，有一陣子天天吹鋰空（直聽得下面一堆做電池的行內(nèi)人一身汗加一身汗）。不過還算被勸得快，后來不怎么太提了。

　　4.鋰負(fù)極的問題，所有鋰空的概念如果可行的話，都要基于鋰金屬可以作為負(fù)極材料。但是鋰金屬做負(fù)極早在20年前就被工業(yè)界拋棄了，因?yàn)橛兄L(zhǎng)造成短路讓電池變?nèi)紵龔椀目赡堋，F(xiàn)在為了炒鋰空概念又倒回去了，所以Jeff Dahn 說：Am I a dinosaur? 鋰負(fù)極的問題不解決，鋰空根本不能用。

　　反之，如果鋰負(fù)極的問題解決了，鋰空就能用了嗎？未必，分離純氧、一堆副反應(yīng)還等著你呢。再說如果鋰負(fù)極問題解決了，那么很多現(xiàn)在的鋰離子電池就可以直接換裝鋰負(fù)極，性能會(huì)大大提高，為啥要弄你那個(gè)又不可靠又要背氧氣瓶的鋰空呢？

　　5. 鋰空概念如果除去基礎(chǔ)科研的意義，那就是一個(gè)很爛的忽悠坑。珍惜生命，遠(yuǎn)離鋰空。

鋰空和鋰離子電池區(qū)別

　　以下為鋰離子電池在充放電時(shí)電池內(nèi)部狀態(tài)示意圖。傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極是碳，而負(fù)極則是由不同的過渡金屬氧化物組成，比如鈷、鎳、錳等。兩個(gè)電極都浸泡在溶有鋰鹽的電解液中。在充放電時(shí)，鋰離子會(huì)從一個(gè)電極向另外一個(gè)電極移動(dòng)。移動(dòng)的方向根據(jù)根據(jù)電池狀態(tài)的不同，充電或者放電，而不同。在充放電時(shí)，鋰離子最終會(huì)嵌入到電極材料的原子層，因而最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子，即由電極的體積與質(zhì)量決定。

　　鋰空氣電池有所不同。在金屬空氣電池中，發(fā)生的是電氣化學(xué)反應(yīng)。在放電過程中，含有鋰的正極釋放出鋰離子，鋰離子向負(fù)極移動(dòng)，并在負(fù)極表面與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成過氧化鋰（Li2O2）。

　　鋰離子、電子與氧氣是在多孔碳形成的負(fù)極表面產(chǎn)生反應(yīng)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)并非發(fā)生在負(fù)極上，最終容納鋰離子的并非是負(fù)極材料，因而電池的容量與負(fù)極材料的體積或質(zhì)量并沒有太大關(guān)系，只要有足夠大的表面積即可。

　　也就是說，鋰空氣電池的容量并不是由電極的體積與質(zhì)量決定，而是電極的表面積。這就是為什么在鋰空氣電池中，質(zhì)量很小的電極也能夠儲(chǔ)存大量的能量，從而得到較高的能量密度。

　　鋰空氣電池與鋰離子電池用途相同，對(duì)于鋰空氣電池的發(fā)展研究，噱頭大于實(shí)際?，F(xiàn)在研究這個(gè)的很多組，大部分是從燃料電池轉(zhuǎn)行的，把燃料電池的一些東西放上去，直接往一次電池上面做，然后鋰枝晶的問題怎么解決？更別提往二次上面去做了，主要是為了那科研經(jīng)費(fèi)吧？往生產(chǎn)實(shí)際上說，其實(shí)很多組還雜用Pt作為催化劑，電解液的揮發(fā)與污染還沒有很好的解決，現(xiàn)在大部分還在做基礎(chǔ)研究，要應(yīng)用和生產(chǎn)可能是十幾年或者幾十年的東西，遠(yuǎn)沒有鋰離子電池的各項(xiàng)研究實(shí)際。

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