什么是鋰空氣電池？

　　鋰空氣電池，更準確的稱呼應該是鋰氧電池（Li-O2），是一種用鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。電池放電時，由氧氣氧化鋰單質生成過氧化鋰（Li2O2），在外電路中產生電流；充電時再由過氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過程無需其它質量較大的元素參與，而陰極則可以直接使用重量和成本都可以忽略不計的空氣。

鋰空氣電池工作原理

　　鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發生氧還原反應，形成氫氧化物。其放電反應方程為：

　　4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

　　放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應：

　　Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

　　在水系電解液中，金屬Li極易和水反應，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業化的產品。

然鵝，鋰空氣電池在電池業內，卻是罵聲一片，這究竟是為什么？這是一個超大的忽悠坑，鋰電內大牛之一Jeff Dahn以不客氣出名，把鋰空批得狗血淋頭，他有個評價鋰空的ppt一搜就有，應該去看看什么才是小李飛刀。他因為懂電池，所以每一刀都殺到致命要害處，我來挑幾個擺擺：

　　1.鋰空電池那高得嚇人的比容量是純扯淡，因為這是基于Li和O2這種質量幾乎無算的物質算出來的，你拿一個小小數當分母，當然會除出來一個巨大的數字，這小學生都會玩。但是電池的真正容量要算就要老老實實算上所有的電極組件（這還不包括把純氧從空氣中分離出來的設備，或者純氧鋼瓶的質量，這些咱下面再說），Jeff Dahn一算，哈哈，并不比LiCoO2高多少。牛皮被徹底踢爆。

　　君不見后來蘇格蘭那位壞了名聲的鋰空“大牛”也只好扭扭捏捏地把Au電極的質量也算進去了，Au有多重多貴，做電池是給土豪專用的嗎？（不過人家依然發在Science上，不服不行），結果容量現在捏去了水分就只有500多了（用了Au你還想要多少）。

　　2.鋰空還是鋰-純氧？這是兩個巨大不同的概念。鋰空概念股忽悠的是可以用免費的空氣實現巨大的容量，這簡直就是另一個神奇的水變油！但事實是必須用純氧，你不知道氮氣也會和鋰反應吧，而且是不可逆的，那么空氣中多少氮氣啊？所以做鋰空的人大腦會自動過濾去”如何有效可靠地從空氣中分離出純氧“這個問題，這是一個一直以來極其具有挑戰性的問題，如果可以實現非常高效低成本地從空氣中分離出純氧，那么很多能源問題就解決了，還費勁地搞什么電池？

　　對了，由于鋰空體系出了名的活潑（等下講），一般必須用高純氧，一般純氧里面有點點水啊什么的，那你就等著和鋰電極或電解液反應吧。想象一下以后汽車上載一個高純氧的大鋼瓶，這是在做火箭嗎？

　　3.IBM當年不知道被哪個作孽的給忽悠了，砸了一堆錢在鋰空項目上。但是后來整個項目被全部連根鏟掉，那個領頭的去了伯克利當發考題。其實IBM還是真正的業界良心，人家靜下心來好好研究了一番，結果最終發現----是誰把我們帶到這個遭瘟的大坑里來了。

　　事實是，這個體系比以前想象的要復雜太多，太多副反應，Li2O2、電極、電解液之間都有復雜的副反應，尤其是充電的過程，理應釋放出O2，但是IBM測了很多不同電解液和電極體系發現很多其實并不是原來聲稱的那樣。很多原來發表的文章現在看來其實都是電解液的副反應，錯得離譜！那一堆堆的文章，很多人大名都署在上面，比

　　如蘇格蘭的那位，本來是業界大牛，結果一不小心老了老了晚節不保了。雖然大家相信這都是“誠實的錯誤”不是學術腐敗，但不嚴謹的帽子大家心里早就給老人家戴上了。確實很匪夷所思，那時鋰空吹得那么火，文章發的一堆堆，為什么就沒有人稍微看一看究竟電極反應的產物是什么呢？只要照一個紅外，大學本科生都能做，就能看到那一堆電解液副反應的產物（如碳酸鹽）。結果大家竟然都想當然地以為就是應該像想象中的反應一樣進行，這是什么鬼科研思維。

　　后來蘇格蘭的那位還在發，去年還有篇Nature Chem，用TTF做redox mediator，說是可以解決充電過程中overpotential的問題（他們竟然用的是眾所周知對鋰不穩定的DMSO作為電解液），當然，大家都重復不出來他的結果。我和IBM那個被忽悠后去伯克利當發考題的大哥聊了一次，發現他們在被IBM砍掉前也重復過了，結果也郁悶地發現用TTF甚至比不用釋放的氧氣還少，證明TTF也在參與副反應，然后他們就沒有然后了。我說我們其實也聽說加了TTF電解液顏色都變了，然后我們默默無言以對。。。我們在對方眼中都看到了一千批駝羊同時飛過。

　　所以現在新興一個奇葩鋰空方向是來給鋰空電池系統找各種奇葩缺陷，這種“找錯誤”的游戲也竟然發了不少文章那！很多文章還確實不錯，各種技術手段用起來一測，哈，發現這個鋰空可真有意思，什么副反應都有。不過這些文章最起碼更靠譜一些，能給不知水深水淺的菜鳥們提個醒，別一不小心掉到坑里。

　　掉到這個坑里最著名的人是前DOE掌門人Steven 朱，人家是搞物理的，作為拿過諾獎的大牛，不知被哪個缺德的給忽悠了，有一陣子天天吹鋰空（直聽得下面一堆做電池的行內人一身汗加一身汗）。不過還算被勸得快，后來不怎么太提了。

　　4.鋰負極的問題，所有鋰空的概念如果可行的話，都要基于鋰金屬可以作為負極材料。但是鋰金屬做負極早在20年前就被工業界拋棄了，因為有枝晶生長造成短路讓電池變燃燒彈的可能。現在為了炒鋰空概念又倒回去了，所以Jeff Dahn 說：Am I a dinosaur? 鋰負極的問題不解決，鋰空根本不能用。

　　反之，如果鋰負極的問題解決了，鋰空就能用了嗎？未必，分離純氧、一堆副反應還等著你呢。再說如果鋰負極問題解決了，那么很多現在的鋰離子電池就可以直接換裝鋰負極，性能會大大提高，為啥要弄你那個又不可靠又要背氧氣瓶的鋰空呢？

　　5. 鋰空概念如果除去基礎科研的意義，那就是一個很爛的忽悠坑。珍惜生命，遠離鋰空。

鋰空和鋰離子電池區別

　　以下為鋰離子電池在充放電時電池內部狀態示意圖。傳統鋰離子電池中，正極是碳，而負極則是由不同的過渡金屬氧化物組成，比如鈷、鎳、錳等。兩個電極都浸泡在溶有鋰鹽的電解液中。在充放電時，鋰離子會從一個電極向另外一個電極移動。移動的方向根據根據電池狀態的不同，充電或者放電，而不同。在充放電時，鋰離子最終會嵌入到電極材料的原子層，因而最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子，即由電極的體積與質量決定。

　　鋰空氣電池有所不同。在金屬空氣電池中，發生的是電氣化學反應。在放電過程中，含有鋰的正極釋放出鋰離子，鋰離子向負極移動，并在負極表面與氧氣發生反應，形成過氧化鋰（Li2O2）。

　　鋰離子、電子與氧氣是在多孔碳形成的負極表面產生反應，因為化學反應并非發生在負極上，最終容納鋰離子的并非是負極材料，因而電池的容量與負極材料的體積或質量并沒有太大關系，只要有足夠大的表面積即可。

　　也就是說，鋰空氣電池的容量并不是由電極的體積與質量決定，而是電極的表面積。這就是為什么在鋰空氣電池中，質量很小的電極也能夠儲存大量的能量，從而得到較高的能量密度。

　　鋰空氣電池與鋰離子電池用途相同，對于鋰空氣電池的發展研究，噱頭大于實際。現在研究這個的很多組，大部分是從燃料電池轉行的，把燃料電池的一些東西放上去，直接往一次電池上面做，然后鋰枝晶的問題怎么解決？更別提往二次上面去做了，主要是為了那科研經費吧？往生產實際上說，其實很多組還雜用Pt作為催化劑，電解液的揮發與污染還沒有很好的解決，現在大部分還在做基礎研究，要應用和生產可能是十幾年或者幾十年的東西，遠沒有鋰離子電池的各項研究實際。

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