鋰離子電池基礎科學問題系列（六）

04-03

序言：該系列文章由中國科學院物理研究所清潔能源實驗室納米離子學與納米能源材料研究組撰寫，並於2013年至2015年間連續刊載於《儲能科學與技術》雜誌「專家講座」欄目，這裡作為學習筆記整理總結！

鋰離子電池基礎科學問題（六）：全固態鋰離子電池、鋰空氣電池、鋰硫電池

01 全固態鋰離子電池

採用固體電解質的全固態電池的顯著優勢：

聚合物電解質的優勢及劣勢：

良好的柔韌性及拉伸剪切性能，易於製備成柔性可彎折電池，對鋰金屬穩定；室溫離子電導率低，電壓窗口窄，製備的電池需要熱管理系統，且不同使用高電壓正極材料。

無機固體電解質的優勢及劣勢：

室溫離子電導率高，機械強度高，電化學窗口寬。但其硬度大，硫化物電解質在空氣中不穩定，與正極材料界面阻抗大。

固體電解質材料主要有：

02 鋰空氣電池

下圖為鋰空氣電池工作原理示意圖：

目前已經研製的可充放鋰空氣電池可分為以下4種：

非水有機鋰空氣電池：電解質是非水有機液體電解質，放電產物主要 Li2O2 ；產物不溶於電解質，容易堆積，從而限制了鋰空氣電池的能量密度；
水系鋰空氣電池：電解質是水系，放電產物主要是LiOH，產物可溶於電解質，但是負極鋰的保護是個問題；
全固態鋰空氣電池：電解質與正負極材料的接觸電阻較大，還需要解決電極結構的設計，從而能容納產物，同時保持較好的電子接觸；
混合體系鋰空氣電池：電解質由非水有機液體電解質和水系電解質共同組成，正極表面是水系電解質，增大產物 LiOH的溶解度，負極表面是非水有機液體電解質，避免水分等與金屬 Li 的反應，中間由 Li + 導電的疏水膜或固體電解質隔開，但是能夠長期穩定工作的電解質尚未研發成功；

鋰空氣電池組成：

空氣正極具有3個方面的作用：

空氣正極材料需要滿足的條件：

目前針對非水電解質鋰空氣電池的空氣正極活性材料主要由多孔碳材料和催化劑兩部分構成：

但是值得注意的是，對於目前是否需要催化劑還存在爭議。首先是催化劑的催化機理目前尚不是很清楚；其次，隨著放電反應的進行，催化劑有可能被產物完全覆蓋，在放電反應後期可能難以繼續起催化作用。但催化劑的存在也可能影響反應產物的形貌，這對於氣體擴散和離子輸運較為重要。

目前的鋰空氣電池多數是在純氧氣中工作的，因為空氣中的 H2O、CO2 和 N2 等氣體以及微細顆粒會引起副反應發生或電極鈍化，對電池的性能產生影響。一種有效的方法是使用氧氣擴散膜，該薄膜能夠阻止其它氣體的透過，而不影響氧氣的擴散。

但是基於氧離子和電子混合傳導的透氧膜一般在高溫下工作，室溫下高性能的透氣膜開發目前還面臨很大的困難。

鋰空氣電池面臨的問題：

負極：金屬鋰的枝晶生長和電極粉化；空氣中的水分和二氧化碳等雜質氣體與金屬Li 的反應，導致金屬 Li 表面生成 LiOH 和 Li2CO3等副產物；
空氣正極：防水透氣膜決定了鋰空氣電池是否能開放使用；充放電機理不清楚；充電和放電過程存在比較大的電位差，導致鋰空氣電池的能量損失大於30%；放電產物的導電性差導致鋰空氣電池的倍率性能很差；
副反應：隨著循環的進行，鋰空氣電池容量衰減比較嚴重。該問題是由放電產物的累積、電解液的分解和電池中各種副反應引起的。

其他鋰空氣電池體系：

03 鋰硫電池

鋰硫電池需要解決的核心問題是金屬 Li 保護、功能電解液、高負載硫正極技術。
鋰硫電池的發展目標是 500~600 W·h/kg，循環 500~1000 次。實現這一目標，將有利於純電動汽車、大規模儲能等重要領域的技術發展，可顯著降低電池成本。