日本产业技术综合研究所发布的锂空气电池的设计构思是,只在金属锂的负极使用有机电解液,正极的空气极使用水性电解液。既可以用作充电电池也可用作燃料电池使用。
如果在负极的有机电解液和空气极的水性电解液之间,用只能通过锂离子的固体电解质隔开的话,可防止两电解液发生混合,而且能促进电池发生反应。这样,能够防止正极的固体反应生成物--氧化锂(Li2O)析出。
该电池通过放电反应生成的不是固体氧化锂(Li2O),而是易溶于水性电解液的氢氧化锂(LiOH),这样就不会引起空气极的碳孔堵塞。另外,由于水和氮等无法通过固体电解质隔膜,因此不存在和负极的锂金属发生反应的危险。此外,配置了充电专用的正极,可防止充电时空气极发生腐蚀和劣化。
负极采用金属锂条,负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质。正极的水性电解液使用碱性水溶性凝胶,与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合。
放电时电极反应如下:
(1)负极反应(Li→Li+e)
金属锂以锂离子(Li)的形式溶于有机电解液,电子供应给导线。溶解的锂离子(Li)穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。
(2)正极反应(O2+2H2O+4e→4OH)
通过导线供应电子,空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH)。在正极的水性电解液中与锂离子(Li)结合生成水溶性的氢氧化锂(LiOH)。
充电时电极反应如下:
(1)负极反应(Li+e→Li)
通过导线供应电子,锂离子(Li)由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面,在负极表面发生反应生成金属锂。
(2)正极反应(4OH→O2+2H2O+4e)
反应生成氧。产生的电子供应给导线。
使用了此次新开发的碱性水性电解质凝胶的锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率放电时,放电容量约为9000mAh/g。另外,充电容量也约达到9600mAh/g。与此前报道的原锂空气电池的容量(700~3000mAh/g)相比,放电容量大幅提高。而使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶后,在空气中以0.1A/g的放电率放电时,可连续放电20天,放电容量约为50000mAh/g。
新的锂空气电池没电时也无需充电,只需更换正极的水性电解液,通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。这是一种新型燃料电池,名为"金属锂燃料电池"。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的氢氧化锂(LiOH),很容易重新生成金属锂,可作为燃料进行再利用。
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