2/2作者：一氣貫長(zhǎng)空一文了解鋰空氣電池和鋰硫電池的基本原理01什么是鋰空氣電池和鋰硫電池？①鋰空氣電池鋰空氣電池以氧氣為正極反應(yīng)物，金屬鋰為負(fù)極，具有很高的理論能量密度（3500wh/kg），其實(shí)際能量密度可達(dá)500-1000wh/kg，遠(yuǎn)高于常規(guī)的鋰離子電池體系。鋰空氣電池由正極、電解液和負(fù)極組成，在非水電池體系中，目前多以純氧為反應(yīng)氣體，因此鋰空氣電池又可稱為鋰氧氣電池。1996年，Abraham等人在實(shí)驗(yàn)室中成功組裝了第一個(gè)非水系鋰空氣電池。隨后研究人員開始關(guān)注非水系鋰空氣電池的內(nèi)在電化學(xué)反應(yīng)及機(jī)理研究；2002年，Read等人發(fā)現(xiàn)鋰空氣電池的電化學(xué)性能依賴于電解液溶劑及空氣正極材料；2006年，Ogasawara等人利用質(zhì)譜儀，首次證明Li2O2在充電時(shí)被氧化并釋放氧氣，即證實(shí)了Li2O2的電化學(xué)可逆性。鋰空氣電池因此得到大量關(guān)注和快速發(fā)展。②鋰硫電池鋰硫電池是基于高比容量硫（1675mAh/g）和鋰金屬（3860mAh/g）的可逆反應(yīng)的二次電池體系，平均放電電壓約為2.15V。其理論能量密度可達(dá)2600wh/kg。其原材料具有成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，因此極具發(fā)展?jié)摿Αｄ嚵螂姵氐陌l(fā)明可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)Herbert和Ulam申請(qǐng)了一項(xiàng)電池專利，此鋰硫電池的原型使用鋰或鋰合金作為負(fù)極材料，硫作為正極材料和由脂肪族飽和胺組成的電解液。幾年后，通過引入PC、DMSO和DMF等有機(jī)溶劑使鋰硫電池得到改進(jìn)，得到了2.35-2.5V的電池。到20世紀(jì)80年代末，醚類被證明可以用于鋰硫電池。此后的研究中，醚基電解液的發(fā)現(xiàn)、LiNO3作為電解液添加劑的使用以及碳/硫復(fù)合正極的提出等成果的出現(xiàn)開啟了鋰硫電池的研究熱潮。圖片來源：pixabay02鋰空氣電池和鋰硫電池工作原理①鋰空氣電池鋰空氣電池按照所用電解液的不同狀態(tài)，可分為水體系、有機(jī)體系、水-有機(jī)混合體系以及全固態(tài)鋰空氣電池。其中由于使用了水基電解液的鋰空氣電池的比容量較低，且金屬鋰保護(hù)存在困難，體系可逆性較差，因此非水系的有機(jī)鋰空氣電池和全固態(tài)鋰空氣電池在目前得到更加廣泛的研究。非水基鋰空氣電池，在1996年由Abraham和Z.Jiang首先提出，放電反應(yīng)方程式如圖1公式所示，充電反應(yīng)與之相反，電解質(zhì)主要采用有機(jī)電解液或固態(tài)電解質(zhì)，放電產(chǎn)物主要為L(zhǎng)i2O2，產(chǎn)物不溶于電解質(zhì)，容易在空氣正極堆積，影響鋰空氣電池的放電容量。鋰空氣電池有著超高能量密度、環(huán)境友好以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，但其研究尚屬初級(jí)階段，仍存在很多問題亟待解決，例如氧氣還原反應(yīng)的催化、空氣電極透氧疏水性、空氣電極失活等。②鋰硫電池鋰硫電池主要使用單質(zhì)硫或硫基化合物為電池正極材料，負(fù)極主要使用金屬鋰。在放電過程中，位于負(fù)極的金屬鋰被氧化失去一個(gè)電子，并產(chǎn)生鋰離子；然后電子通過外部電路轉(zhuǎn)移到正極，所產(chǎn)生的鋰離子也同時(shí)通過電解液轉(zhuǎn)移到正極與硫元素反應(yīng)形成多硫化鋰（LiPSs），再進(jìn)一步反應(yīng)生成硫化鋰，完成放電過程。在充電過程中，LiPSs中的鋰離子通過電解液回到負(fù)極，同時(shí)電子通過外部電路回到負(fù)極與鋰離子形成鋰金屬，LiPSs在正極被還原為硫完成充電過程。鋰硫電池的放電過程主要是在硫正極上進(jìn)行多步驟、多電子、多相的復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)，不同鏈長(zhǎng)的LiPSs在充放電過程中相互轉(zhuǎn)化。在放電過程中，正極可能發(fā)生的反應(yīng)如圖2，負(fù)極反應(yīng)如圖3。鋰硫電池的優(yōu)勢(shì)非常明顯，如具有非常高的理論容量；材料中沒有氧，不會(huì)發(fā)生析氧反應(yīng)，因而安全性能好；硫資源豐富且單質(zhì)硫價(jià)格低廉；對(duì)環(huán)境友好，毒性小等。但鋰硫電池也存在以一些挑戰(zhàn)性的問題，如多硫化鋰穿梭效應(yīng)問題；單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物的絕緣性問題；體積變化大的問題；鋰負(fù)極引起的不穩(wěn)定SEI和安全性問題；自放電現(xiàn)象等。鋰空氣電池和鋰硫電池作為新一代二次電池體系，具有非常高的理論比容量值，受到研究者和二次電池市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。目前，這兩種電池仍然面臨較多的科學(xué)與技術(shù)問題，處于電池開發(fā)早期研