锂空气电池的前景与挑战

锂空气电池的前景与挑战

G. Girishkumar,* B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, and W. Wilcke

IBM的研究- Almaden, 650 Harry Road, San Jos_e, California 95120

摘要锂空气系统在2009年吸引了全

世界的关注作为一个可能的电动车电池推进

应用程序。如果成功开发了,这种电池可以为

电动汽车提供一种能源车,与汽油相匹敌可

用的能量密度。然而,有大量的技术和工艺必

须克服的挑战,如果这个诱人的想象变为现

实。这个基本电池化学反应时被认为是电化

学中锂金属在阳极氧化和来自空气的氧在阴

极还原。质子电解质,用于锂离子电池,有一

些根据通过处理可以反应用一个外部的电势,即这种电池可以充电。本文总结了作者的观点中的前景和发展面临的挑战的实际锂空气电池和当前的理解它的化学。然而,这要感谢透视图描绘的简单印象，我们才能非常迅速展开想象。

人类的总功耗目前是14太瓦和预计2050年大约是现在的三倍.目前,石油占世界总数的主要能源源的34%。它占二氧化碳排放总量的40%,是一个地域政治不稳定的主要原因。由于大多数的石油应用于汽车和轻型卡车,这已经开始了一个混合电气化时代和加快了纯动力汽车发展的成熟。

要获得完整的电气化道路交通的主要技术障碍是普通电池的容量不足,这严重限制了电动汽车的的实用性。锂空气电池在汽车上应用最初在1970年代提出。在去年,锂空气的开发得到关注, 仅2010年第一季度就超过14篇关于这方面研究的文章发表。锂空气电池的潜在的比所有其他的化学电池高能量储存密度,这已经导致了强烈的关注，这种电池驱动电动汽车驾驶的路程是否比得上汽油动力汽车驾驶里程。

电池500项目由IBM公司和它的合作伙伴,以及许多其他的研究团体发起的研究项目评估锂空气电池推动力在自动化汽车应用上的潜力。“500”代表一个目标距离的500英里/ 800

公里每电荷,转化成一个电池容量约125千瓦时,平均使用250 wh /英里一个标准的家庭轿车。锂空气电池也在其他领域扮演重要角色,例如给笔记本电脑和远程传感器或机器人使用。然而,需求汽车推动力的需求成为的大多数研究项目的推动。在这个阶段,研究集中精力确定基本科学原理底层操作锂氧气电池(而不是锂空气)。第二部分讨论了系统级需求对于一个成功的电动汽车的应用程序电池。第三部分描述了各种建筑(化学)方法对锂空气电池和比较关键的权衡。第四章描述了当前实验和理论研究非质子的锂氧气电池为重点的空气阴极。第五部分论述了阳极,而第VI部分讨论挑战现状和使用空气而不是氧气反应物。第七章总结了研究我们相信需要进行开发实用的锂空气电池。

系统水平支对电动汽车的推力和锂空气电池的有一定的要求。关键标准实用电动车推进电池的能量密度、成本、寿命(以年和英里)和安全。

实用型电动汽车的关键标准是推动力电池能源密度、成本、寿命(以年,英里),和安全。

重量和体积能量密度:汽油的能源密度是13 000 Wh /Kg,它显示为它的图1中的理论能量密度。一般说来美国舰队的平均效率是12.6%;因此, 汽油在汽车上可用能量密度大约1700 Wh /Kg。这是显示为“实用的”。

图1。这个重量能量密度(Wh /kg)为各种各样的类型的可充电电池与汽油相比较。理论密度是严格基于热力学的显示为蓝色的部分，而实际可行的密度则用橙色的部分和数值来表示。对于锂空气、实用价值只是一种估计。汽油的实用价值包括汽车的平均效率。

汽油的能量密度见图1。电动动力系统(从电池到车轮)的效率在90%左右,10倍地改善当前的的锂离子电池的能源密度,这通常是在100到200Wh /kg(电池水平),将使电动动力系统

在票面价值与汽油,至少通过测量重力能量密度。然而,没有期望,当前的电池如锂离子会接近目标1700 Wh /Kg。新化学反应需要实现这一目标。

氧化1的金属锂释放11 680 wh /Kg,低于汽油不多。这是显示为理论能量密度的锂空气电池在图1。然而,实际的能量密度为锂空气电池会大大减少。现有种金属空气电池, 如锌/空气,通常有一个实际的能量密度大约40 - 50%的理论密度。然而,一个可以安全地假定甚至完全发展的锂空气电池将永远不会达到这样一个高的比率,因为锂很轻,因此电池结构的消耗,电解质等等会有更大的影响。

幸运的是,一个能量密度1700 Wh /Kg的完全充电电池只对应到14.5%的理论能源容量的锂金属。我们相信这样的能量密度,是在电池水平上,是可能实现的,鉴于密集型和长期发展的工作。完整的电池系统可能只有一半的能源密度在电池水平上实现。

电池的能量密度(以Wh / L)也是一个重要的设计指标。这要求最好是被分配一个最大容量300 L(家庭汽车)的电池和它的辅助系统驾驶里程为500英里(800公里)需要125千瓦时容量(250 wh /英里),因此一个300 L体积限制规定这个比重的电池, 包括空间分配给空气通道电池内部,空气处理系统,必须不小于0.5公斤/ L。。注意, 锂空气电池中特定的空气流(Kg 空气/kW发电功率)到一个,假设电池中废气的氧含量为17%,比得上特定的气流的内燃机。

功率密度和成本:虽然锂空气系统提供期望很高的能量密度,但是目前其功率密度(以W / kg的电池质量)是非常低的。在放电,氧气被在减少存在锂离子形成锂氧化物,在电荷化学反应中转化为氧气。两种反应发生在表面的阴极。因此非常大的内部表面区域,无论是在微观或宏观意义上,都是必需的。标准的质子锂空气电池提供电流密度是1 mA/cm2。这将是临界电流密度,增加至少1级。即便如此,宏观的表面积供应总功率为推动电池是非常大的。例如,一个电池和100千瓦电力输出,一个电池电压2.5 V一个电流密度5mA/cm2就需要一个总内部表面面积160 m2,等于人类的肺部的内部表面

一个方法来减少功率密度需求是创建一个电动混合动力推进系统,一个小容量但高功率电池,例如,基于锂离子技术,在短时间内提供电力的高需求,比如在加速。可能的比率是平均峰值电力需求在一辆车只有约1:10。电气能源效率:当前锂空气电池显示出大的过电势,即。 ,充电电压高于放电电压。这对应于一个低周期电气能源效率,目前在60 - 70%。实用的推动