鋰空氣電池設(shè)計(jì)技術(shù)

圖1　新結(jié)構(gòu)“鋰空氣電池”的構(gòu)成。左側(cè)為放電，右測(cè)為充電

圖2　新結(jié)構(gòu)“鋰空氣電池”的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)放電曲線

圖3　循環(huán)使用鋰的“金屬鋰燃料電池”

　　如果在負(fù)極的有機(jī)電解液和空氣極的水性電解液之間，用只能通過鋰離子的固體電解質(zhì)隔開的話，可防止兩電解液發(fā)生混合，而且能促進(jìn)電池發(fā)生反應(yīng)。這樣，能夠防止正極的固體反應(yīng)生成物——氧化鋰（Li2O）析出。

　　該電池通過放電反應(yīng)生成的不是固體氧化鋰（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH），這樣就不會(huì)引起空氣極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質(zhì)隔膜，因此不存在和負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。此外，配置了充電專用的正極，可防止充電時(shí)空氣極發(fā)生腐蝕和劣化。

　　負(fù)極采用金屬鋰條，負(fù)極的電解液采用含有鋰鹽的有機(jī)電解液。中間設(shè)有用于隔開正極和負(fù)極的鋰離子固體電解質(zhì)。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細(xì)化碳和廉價(jià)氧化物催化劑形成的正極組合。

　　放電時(shí)電極反應(yīng)如下:

（1）負(fù)極反應(yīng)（Li → Li+ + e-）

　　金屬鋰以鋰離子（Li+）的形式溶于有機(jī)電解液，電子供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子（Li+）穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中。

（2）正極反應(yīng)（O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-）

　　通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子（OH-）。在正極的水性電解液中與鋰離子（Li+）結(jié)合生成水溶性的氫氧化鋰（LiOH）。

　　充電時(shí)電極反應(yīng)如下:

（1）負(fù)極反應(yīng)（Li+ + e- → Li）

　　通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，鋰離子（Li+）由正極的水性電解液穿過固體電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極表面，在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰。

（2）正極反應(yīng)（4OH- → O2 + 2H2O + 4e-）

　　反應(yīng)生成氧。產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)線。

　　使用了此次新開發(fā)的堿性水性電解質(zhì)凝膠的鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率放電時(shí)，放電容量約為9000mAh/g。另外，充電容量也約達(dá)到9600mAh/g。與此前報(bào)道的原鋰空氣電池的容量（700～3000mAh/g）相比，放電容量大幅提高。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠后，在空氣中以0.1A/g的放電率放電時(shí)，可連續(xù)放電20天，放電容量約為50000mAh/g（圖2）。

　　新的鋰空氣電池沒電時(shí)也無需充電，只需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用（圖3）。這是一種新型燃料電池，名為“金屬鋰燃料電池”。理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰（LiOH），很容易重新生成金屬鋰，可作為燃料進(jìn)行再利用。