高 勇,王 诚,蒲薇华,邓长生

(1.中国地质大学材料科学与化学工程学院,湖北武汉 430074;2.清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084)

锂-空气电池的理论比容量和比能量高(11 140Wh/kg,将O2计算在内也有5 200 Wh/kg),对环境友好,是目前备受关注的能量转换体系。锂-空气电池的正极活性物质O2可以直接从周围空气中获得,因此理论比能量高于目前很多常规的电源体系,是目前高性能锂离子电池的10倍多,与汽油-氧气体系的11 860 Wh/kg接近[1-3]。

K.M.Abraham等[1]制作了聚合物电解质体系的锂-空气电池,获得了1 400 mAh/g的放电比容量(0.1 mA/cm2),引起了广泛的关注。P.G.Bruce[2]验证了式(1)所示反应的可逆性,并采用有机系电解质,以MnO2为催化剂组装了锂-空气电池。电池以70 mA/g的电流循环50次后,仍保持了600 mAh/g(碳粉)的放电比容量。

T.Kuboki等[3]使用憎水型离子液体电解质,获得了高达5 360 mAh/g(碳)的放电比容量(0.01 mA/cm2)。PolyPlus电池公司提出了两种电解质共存的锂-空气电池体系[4],即Li/有机系电解质/锂离子导体/水性电解质/空气电极,组装的Li/有机系电解质/锂铝钛的磷酸盐(LATP)/KOH溶液/空气电极电池体系,实现了500 h连续放电,电池的放电(0.5 mA/cm2)比容量达 50 000 mAh/g(碳+粘结剂+催化剂)。

锂-空气电池的理论比容量和比能量很高,但是实际得到的比容量和比能量远低于理论值。本文作者介绍了锂-空气电池各部件对电池性能的影响及目前的一些研究情况。

1 负极锂的研究

要想实现锂-空气电池在周围环境中工作,必须保证金属 Li不与来自空气中的 H2O、CO2及 O2发生副反应,因此对金属Li的保护是制作负极材料的关键。与其他金属-空气电池一样,掺杂或合金化可用于保护金属Li。……