BI-K-1-锂空气电池研究的现状、发展和挑战

锂空气电池研究的现状、发展和挑战

周豪慎*, 何平

（南京大学现代工程与应用科学学院，能源科学与工程系，江苏，南京，210093, E-mail:

hszhou@ ）

高比能锂空气电池的理论能量密度是锂离子电池的10倍以上，是受到国际电池领域广泛重视的下一代储能器件。其理论工作电压为2.96V 。氧气作为最常见的氧化剂，在大气中资源丰富，获取成本低廉，有效地降低了电池的成本。氧气作为正极活性物质拥有最高达3350mAh/g 的比容量。此外，金属锂具备最低的电极电位（-3.04 vs. SHE ）,其作为负极比容量可达到3800mAh/g ，促进了电池的能量密度的大幅提升。基于Li 2O 2 生成和分解的反应，锂空气电池的理论能量密度高达3600 Wh/kg ，其实际全包装能量密度有望达到600 Wh/kg ，接近汽油在内燃机中燃烧所提供的能量密度（700 Wh/kg ）（见图1）。然而，目前锂空气电池的实际综合性能如循环寿命、倍率性能、能量转换效率、安全性等方面均离实用化有很大差距。

锂离子锂硫锂空气 实际能量密度/ W h •k g -1

铅酸镍镉镍氢电池未来锂离子电池电池电池汽油内燃机

图1，多种储能器件实际能量密度示意图。

本报告将介绍我们于2007年开始在锂空气电池的理论和实验方面所进行的探索和取得的一些重要的研究结果。我们提出多孔电极内部氧化锂堵塞失效机制和锂空气电池铜腐蚀催化机理。为了解决多孔电极被氧化锂堵塞失效，开创了有机-水体系组合型电解液锂空气电池的研究方向，对溶液酸碱度及环境温度影响进行深入研究。开发出基于组合型电解液的一系列新型锂空气电池如薄膜锂空气电池、液流型锂空气电池、高功率锂空气电容电池等。在锂空气电池用催化材料方面也取得一些成果，首次引入了氮化钛和氮掺杂石墨烯材料，获得优良的电化学性能。最近我们通过制备碳纳米管/离子液体凝胶制备空气电极，获得优良的电子与离子通道的同时提高了电池在真实空气中的稳定性。

二次锂空气电池涉及到电化学、催化化学、表面科学、纳米科学等多种学科。在实验上要解决锂空气电池存在的充放电效率低、循环性能差、倍率性能差这三个问题仍任重道远。此外，对于非水体系中锂空气电池充放电过程中存在的关键物理化学问题的研究仍然较少，充放电过程的机理仍不清楚。值得提及的是：虽然近年来国际学术界和产业界纷纷对二次锂空气电池体系展开大规模的基础研究，二次锂空气电池体系的研究我们和国际同行几乎处在同一起跑线，谁能够从理论和技术上把握影响二次锂空气电池性能的关键因素，谁将成为下一代超高比能化学电源技术的领跑者。

本研究受国家重大科学研究计划资助（项目号2014CB932300）。

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Research of Li-air Battery：Status，Development and Challenge

Haoshen Zhou*, Ping He

(Dept of Energy Sci & Eng, Col of Eng & App Sci, Nanjing Univ, Nanjing 210093, Jiangsu, Peoples R

China)