鋰空氣電池設計技術

鋰空氣電池設計技術

日本產業技術綜合研究所發布的鋰空氣電池的設計構思是，只在金屬鋰的負極使用有機電解液，正極的空氣級使用水性電解液（圖1）。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用。圖1新結構“鋰空氣電池”的構成。左側為放電，右測為充電圖2新結構“鋰空氣電池”的長時間連續放電曲線圖3循環使用鋰的“金屬鋰燃料電池”

如果在負極的有機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隔開的話，可戒備兩電解液發生混合，而且能促使電池發生反應。這樣，能夠戒備正極的固體反應生成物——氧化鋰（Li2O）析出。

該電池通過放電反應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隔膜，因此不存在和負極的鋰金屬發生反應的危險。此外，配置了充電專用的正極，可戒備充電時空氣極發生腐蝕和劣化。

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

放電時電極反應如下:

（1）負極反應（Li→Li++e-）

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

（2）正極反應（O2+2H2O+4e-→4OH-）

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

充電時電極反應如下:

（1）負極反應（Li++e-→Li）

通過導線供應電子，鋰離子（Li+）由正極的水性電解液穿過固體電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬鋰。

（2）正極反應（4OH-→O2+2H2O+4e-）

反應生成氧。萌生的電子供應給導線。

使用了此次新開發的堿性水性電解質凝膠的鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，放電容量約為9000mAh/g。另外，充電容量也約達到9600mAh/g。與此前報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，可連續放電20天，放電容量約為50000mAh/g（圖2）。

新的鋰空氣電池沒電時也無需充電，只需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負極的金屬鋰就可以連續使用（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，可作為燃料進行再利用。

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