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鋰空氣電池是否能取代鋰離子電池

鉅大LARGE  |  點擊量:806次  |  2022年03月21日  

鋰空氣電池能量密度高、重量輕、綠色無污染。鋰空氣電池擊敗鋰離子電池的潛力極大,然而,想要在成本和使用壽命上比肩傳統的鋰離子電池、達到“穩定生產期”,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,這顯然還有很長的路要走。


什么是鋰空氣電池?


鋰空氣電池是一種用鋰作陽極,以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度,因為其陰極(以多孔碳為主)很輕,且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。其實,鋰空氣電池就是金屬燃料電池,通俗地來說就是用金屬鋰做負極,氧氣做正極的一種鋰電池。鋰空氣電池的優點在于比能量高(比能量,簡單地理解就是單位質量的電極材料參與反應時放出電能的大小),理論上接近了汽油。


雖然鋰空氣電池比能量高,但是它的缺點就是反應可逆性差,需要催化劑。這里所說的2D材料也叫做“二維材料”。用它們做催化劑的時候,能夠提高電池內部的化學反應速率,使鋰空氣電池的效率更高、充電能力更強,電池保存能量的能力和提供能量的能力被大大提升了。


放電過程:陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+),Li+穿過電解質材料,在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2),并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

鋰空氣電池工作原理


鋰空氣電池采用鋰作為負極活性材料,采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料,按電解質體系主要分為有機電解液體(非水性電解液體系)、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態電解質體系。


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膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態下,Li的自放電率很高,并伴隨著Li的腐蝕反應:


Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)

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標稱電壓:28.8V
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在水系電解液中,金屬Li極易和水反應,因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求,目前還沒有商業化的產品。綜合考慮實用性和安全性,水系鋰空氣電池并非最終實際應用的首選。


鋰空氣電池未來會取代鋰電池嗎?


有人說:如果說鋰硫電池是替代鋰離子電池的下一代鋰電,那么鋰空氣電池將是鋰電的最終形態。從鋰電誕生到應用才短短的幾十年,然而電池產業已經逐漸替代化石能源,成為人們生活中不可或缺的一部分。目前,鋰離子電池備受人們的青睞,而鋰空氣電池被業界譽為終極電池。


隨著全球電動汽車市場需求的日益增長,鋰電池的發展受到了嚴重的阻礙,其發展瓶頸主要在于:如何提升正極材料的充放電比容量,以滿足高比能量、高充放電功率的要求;制備正極材料需要大批量地使用稀有過渡金屬元素,如鈷、鎳等,而這些資源在地球上的儲量有限,成本也不低。


為了解決這些問題,進一步提高電池的能量密度,減輕電池重量,并減少重金屬的使用,鋰空氣電池誕生了。


鋰空氣電池雖然目前還在研發實驗階段,但是這類電池的儲能量卻是當前鋰離子電池的10倍。由于它的質量更輕,也能夠使得電動車的輕量化有質的提升。


報道稱,隨著鋰電池的出現,便攜設備迅速普及,支持了IT革命的發展。鋰電池性能不斷提高,是支持汽車電動化的重要部件。但是,鋰電池技術逐漸接近極限,而且還有易燃等缺點。鋰空氣電池是新一代技術的有力候選之一,可通過與空氣中的氧氣發生化學反應來進行發電。由于氧氣可以無限量供應,理論上空氣電池蓄電量可達鋰電池的5至10倍。


人們對電池越來越依賴,受到需求的推動,企業投入大量的時間和金錢開發鋰電池替代產品。由于其理論比能量高,鋰空氣電池被認為是鋰離子電池的潛在替代品。然而,迄今為止,這樣的系統主要限于純氧環境,并且由于涉及陰極、陽極和電解質的副反應而具有有限的循環壽命。


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