text: 锂空气电池和锂硫电池的基本原理
  锂空气电池以氧气为正极反应物，金属锂为负极，具有很高的理论能量密度（3500wh/kg），其实际能量密度可达500-1000wh/kg，远高于常规的锂离子电池体系。锂空气电池由正极、电解液和负极组成，在非水电池体系中，目前多以纯氧为反应气体，因此锂空气电池又可称为锂氧气电池。1996年，Abraham等人在实验室中成功组装了第一个非水系锂空气电池。随后研究人员开始关注非水系锂空气电池的内在电化学反应及机理研究；2002年，Read等人发现锂空气电池的电化学性能依赖于电解液溶剂及空气正极材料；2006年，Ogasawara等人利用质谱仪，首次证明Li2O2在充电时被氧化并释放氧气，即证实了Li2O2的电化学可逆性。锂空气电池因此得到大量关注和快速发展。锂硫电池是基于高比容量硫（1675mAh/g）和锂金属（3860mAh/g）的可逆反应的二次电池体系，平均放电电压约为2.15V。其理论能量密度可达2600wh/kg。其原材料具有成本低廉、环境友好等优势，因此极具发展潜力。锂硫电池的发明可以追溯到20世纪60年代，当时Herbert和Ulam申请了一项电池专利，此锂硫电池的原型使用锂或锂合金作为负极材料，硫作为正极材料和由脂肪族饱和胺组成的电解液。几年后，通过引入PC、DMSO和DMF等有机溶剂使锂硫电池得到改进，得到了2.35-2.5V的电池。到20世纪80年代末，醚类被证明可以用于锂硫电池。此后的研究中，醚基电解液的发现、LiNO3作为电解液添加剂的使用以及碳/硫复合正极的提出等成果的出现开启了锂硫电池的研究热潮。图片来源：pixabay锂空气电池按照所用电解液的不同状态，可分为水体系、有机体系、水-有机混合体系以及全固态锂空气电池。其中由于使用了水基电解液的锂空气电池的比容量较低，且金属锂保护存在困难，体系可逆性较差，因此非水系的有机锂空气电池和全固态锂空气电池在目前得到更加广泛的研究。非水基锂空气电池，在1996年由Abraham和Z.Jiang首先提出，放电反应方程式如图1公式所示，充电反应与之相反，电解质主要采用有机电解液或固态电解质，放电产物主要为Li2O2，产物不溶于电解质，容易在空气正极堆积，影响锂空气电池的放电容量。锂空气电池有着超高能量密度、环境友好以及价格低廉等优势，但其研究尚属初级阶段，仍存在很多问题亟待解决，例如氧气还原反应的催化、空气电极透氧疏水性、空气电极失活等。锂硫电池主要使用单质硫或硫基化合物为电池正极材料，负极主要使用金属锂。在放电过程中，位于负极的金属锂被氧化失去一个电子，并产生锂离子；然后电子通过外部电路转移到正极，所产生的锂离子也同时通过电解液转移到正极与硫元素反应形成多硫化锂（LiPSs），再进一步反应生成硫化锂，完成放电过程。在充电过程中，LiPSs中的锂离子通过电解液回到负极，同时电子通过外部电路回到负极与锂离子形成锂金属，LiPSs在正极被还原为硫完成充电过程。锂硫电池的放电过程主要是在硫正极上进行多步骤、多电子、多相的复杂电化学反应，不同链长的LiPSs在充放电过程中相互转化。在放电过程中，正极可能发生的反应如图2，负极反应如图3。锂硫电池的优势非常明显，如具有非常高的理论容量；材料中没有氧，不会发生析氧反应，因而安全性能好；硫资源丰富且单质硫价格低廉；对环境友好，毒性小等。但锂硫电池也存在以一些挑战性的问题，如多硫化锂穿梭效应问题；单质硫及其放电产物的绝缘性问题；体积变化大的问题；锂负极引起的不稳定SEI和安全性问题；自放电现象等。锂空气电池和锂硫电池作为新一代二次电池体系，具有非常高的理论比容量值，受到研究者和二次电池市场的广泛关注。目前，这两种电池仍然面临较多的科学与技术问题，处于电池开发早期研究阶段，除了电池正极材料的比容量和稳定性需要进一步提高外，电池安全性等关键问题也亟待解决。未来这两种新型电池还需要不断进行技术改进以消除其缺陷，以便开拓更加广阔的应用前景。参考来源：1.孟楠.锂空气电池聚合物电解质及其与电极界面稳定性的研究2.郭焕焕.高性能锂空气电池中金属锂负极稳定性研究3.陈伟.电极界面离子调控对锂硫电池电化学性能的影响研究4.马俊胜.石墨烯基锂硫电池的正极设计与性能研究免责声明：本文所用的图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将立即删除，无任何商业用途！