文 献 综 述

1.1 锂空气电池概述

1.1.1 前言

随着数码产品在人们生活中的广泛应用，对电源的要求也越来越高。目前普遍使用的锂离子电池，容量已接近其理论值，已经没有大幅度提升的空间，加之动力汽车的大力发展、化石燃料的储量有限及环境污染问题日益严峻，寻找新的电源体系显得尤为重要。近日，使用包覆的锂片作负极，研发出的水系可逆锂电池能量密度达到446 Wh#183;kg^-1，比传统的锂离子电池高出80%。除此之外，锂硫电池和锂空气电池也因其高能量密度而成为最具潜力的电源体系。锂空气电池则以能量密度高、环境友好、具有可逆性等优点显示出良好的应用前景。

目前研究的锂空气电池是基于1996年Abraham等首次报道的聚合物锂空气电池，不计算反应物氧气的质量的情况下，锂空气电池理论比能量高达11140 Wh#183;kg^-1。计算反应物氧气的质量，如果放电产物是Li₂O，其理论值也达5200 Wh#183;kg^-1； 如果放电产物是Li₂O₂，比能量是3400 Wh#183;kg^-1，远高于现有的锂离子、镍氢、铅酸等电池体系。随后，美国军事实验室Read教授课题组在锂空气电池放电机理、电极材料以及电解液组成方面做了大量工作，详细地研究了空气电极材料、电解液组成、氧分压和氧溶解能力对放电容量、倍率性能以及循环稳定性的影响。2006年，Bruce教授课题验证了锂空气电池反应的可逆性，实现了50次循环，比容量为600 mAh#183;g^-1。这一重要结果使得锂空气二次电池研究开始受到各国研究人员的广泛关注。

1.1.2锂空气电池的工作原理

作为正极的活性物质空气中的O₂在放电时发生还原反应，又称氧还原反应，负极的金属锂释放电子后成为锂阳离子(Li )，Li 穿过电解质材料，在正极与氧气以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li₂O)或者过氧化锂(Li₂O₂)，并留在阴极，锂氧电池的开路电压为2.91 V。在充电时需要把放电产物中的氧还原，析出氧气，所以正极中催化剂对电池效率和寿命有极大影响。目前锂氧电池的反应机理仍存在诸多争议，大多数学者接受的放电和充电时负极、正极以及总反应分别如下:

负极: Li = Li e^-

正极:2Li 2e^- O₂ = Li₂O₂

总反应: Li O₂ = Li₂O₂ , E^θ = 3.10V

非水体系的锂-空气电池放电时的反应机理比较复杂，相关研究表明其反应也可能为如下形式: