锂空气电池.ppt

锂空气电池
锂-空气电池
锂空气电池原理如图所示,以金属锂为负极,由碳基材料组成的多孔电极为正极,放电过程中,金属锂在负极失去电子成为锂离子,电子通过外电路到达多孔正极,电子将空气中的氧气还原,这一反应持续进行,电池便可以向负载提供能量。充电过程正好相反,在充电电压的作用下,放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化,重新放出氧气,锂离子则在负极被还原成金属锂。由此可见,整个过程中不会产生对环境有害的物质,完全是零污染的绿色过程。
锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物质氧气是直接来源于周围空气,因而是取之不尽用之不竭的,并且不需要储存在电池内部,这样既降低了成本又减轻了电池的重量,所以电池的能量密度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得出,锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的超高理论能量密度,这一能量密度足以和汽油相媲美,从而有望完全代替汽油,真正实现纯电动汽车。
有机体系里空气电池
锂空气电池的概念最早在1976年就被提出,它是将金属锂作为负极,空气(或氧气)作为正极,以及碱性水溶液作为电解液组成的一种金属一空气电池。放电时的电池反应为:
正极 O2+2H2O+4 e-→4OH-
负极 Li →Li+ + e-
电池总反应 4Li+O2+2H2O→4LiOH
这种电池存在着锂负极与水性电解液发生反映的问题。
1996年Abrahamh和Jiang提出基于有机电解液体系的锂空气电池,
正极 2Li+ + O2+2 e- →2Li2O2
负极 Li →Li+ + e-
电池总反应 2Li+O2→2Li2O2
但直到2006年,Ogasawara等实验证明了锂空气电池的可充电性,才使得该电池成为电能存储领域的研究热点。
有机体系里空气电池
结构示意图
锂空气电池有一个重要的问题:Li2O2无法溶解于有机电解液中, Li2O2将不断在负极材料表面沉积,这将阻止O2的进入,导致放电终止。因此人们意识到要提高有机电解液体系的锂空气电池的放电容量,空气电极是关键因素。
锂空气电池中所用的空气电极通常由多孔碳组成,多孔碳结构可以为O2向碳-电解液界面的扩散提供气体传输通道,同时多孔结构可以为放电过程中形成的Li2O2提供存储空间。当碳材料的孔道完全被Li2O2所填充时,放电过程将会终止。电解液在孔道内的传输也将是决定锂空气电池能量储存的另一重要参数。以上各方面表明,多孔碳材料的微观结构将严重影响电池的性能。研究新型的多孔碳电极材料,从而提高容量、能量及功率密度,并且改善体系的稳定性,已经成为该领域的研究热点。
空气电极——多孔碳材料
系列研究表明,碳材料的结构、孔容、孔径、比表面积等因素对电池的性能有很大的影响。
在实际应用中,非水电解质锂空气电池性能要低于理论值,主要是因为Li与O2反应后会在空气电极的表面生成不溶于非水电解质的Li2O2或Li2O产物,该产物逐步堵住碳载体的孔道,O2和Li+无法再通过孔道传递,放电过程被迫终止。但同时发现,并非所有空气电极的孔容而是仅部分孔容被填满,放电过程即终止。由右图可知,大部分氧化产物沉淀在不超过20%孔纵深的孔口周围。
沉淀量与孔纵深的关系
碳载体材料的比表面积对锂-空气电池的电化学反应有着非常重要的作用。一般来说,表面积越大就给催化剂颗粒提供了更多的分散空间,同时也提供了更多的电化学反应活性位。故不同的表面积导致了不同的催化剂分散程度和催化剂在碳载体上的接触面积,这些最终都导致了不同的催化活性。
但是,碳载体的表面积越大并非必然导致更高的比容量。Yang等人经过对比研究,分别将Super P,XC-72,活性炭,碳纳米管和石墨作为碳载体应用于锂-空气电池的正极中。其中,活性炭虽拥有最大的表面积,但比容量却不高,这也更加强调了多孔性和孔径的重要性。例如Super P,表面积虽不大,但孔径最大,比容量也最大。因此在尽量保持高比表面积下,具有中孔或大孔尺寸孔径的碳材料可以更好的满足以上要求。如右图所示,随着放电反应的进行,锂氧化物会随机沉淀在微孔、中孔和大孔中。但当锂氧化物沉淀在微孔孔口时,微孔即被堵塞,该孔内的质量传递也被终止。而在中孔及大孔中,当锂氧化物沉淀的密度比较低时,并不会阻碍O2和电解液的扩散。
锂氧化物在不同孔径中的
沉淀情况
Chris Tran等人实验指出,锂空气电池的放电比容量与碳载体的平均孔径成正相关,而与碳载体的孔表面积关系不大。从图5可以看出平均孔径和电池比容量近似线性关系,孔径越大,比容量越大。
放电时间、比容量与平均孔径的关系
新型碳空气电极材料
Yong-yao Xia等通过纳米浇铸技术由介孔泡沫材料(MCF)二氧化硅硬模板制备介孔碳泡沫(MCF-C)。这种碳正极拥有二级介孔孔道结构,分别为4.