用鋰化硅作為鋰空氣電池正極材料的應(yīng)用研究

羅馬Sapienza大學(xué)、韓國漢陽大學(xué)（Hanyang University）以及美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了鋰空氣電池的陽極替代材料，采用氫氧化鋰硅碳正極材料代替原本的鋰金屬材料。雖然這種材料的所能提供的電壓值和容量相比傳統(tǒng)鋰空氣電池要低，不過其安全性能和能量密度要比鋰金屬正極材料高。

“據(jù)我們所知，這是首次在鋰空氣電池中舍棄鋰金屬正極材料的嘗試，這或?qū)㈦x鋰空氣電池應(yīng)用到實(shí)際中的目標(biāo)更近一步。”

理論上，鋰空氣電池的能量密度非常高，能夠滿足電動(dòng)汽車所需的能量密度要求，達(dá)到11,420瓦時(shí)/千克。研究人員指出，在大部分應(yīng)用配置中，鋰空氣電池正極為鋰金屬化合物；采用非水性電解液；負(fù)極采用石墨。

陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li ），Li 穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：2Li O2 ? Li2O2。

目前阻礙鋰空氣電池發(fā)展的因素主要有三個(gè)：

1.電解液液中的電解質(zhì)不穩(wěn)定

2.可逆化學(xué)反應(yīng)過程受到限制（指從過氧化鋰和氧化鋰分解為氧氣分子和鋰離子的能力）

3.鋰金屬化合物正極的化學(xué)性能

其中，關(guān)于電解質(zhì)不穩(wěn)定性的問題已經(jīng)得到解決，通過利用二甲氧基乙烷、離子電解液和聚（環(huán)氧乙烷）-鋰鹽等物質(zhì)代替有機(jī)碳酸酯類電解質(zhì)，前三者的化學(xué)穩(wěn)定性都優(yōu)于后者。關(guān)于可逆反應(yīng)不充分的問題，研究人員正在研發(fā)更合適作為電池陰極的材料，并探索可利用的催化劑以促使可逆反應(yīng)的發(fā)生。

第三個(gè)問題最近才被研究人員重視，在此之前所有的鋰空氣電池都是采用鋰金屬化合物作為陽極材料。目前采用氫氧化鋰-硅材料結(jié)合乙二醇二甲醚電解液，試圖舍棄鋰金屬化合物。鋰化硅電極用來連接球形納米硅碳復(fù)合粒子與鋰箔。這樣電極中的納米級(jí)碳粒子包裹著鋰化硅粒子，顯微鏡照片顯示電極被一層固體電解質(zhì)膜所覆蓋。

電解質(zhì)采用了三氟甲磺酸的鹽(LiCF 3 SO 3）、四甘醇二甲醚玻璃纖維。這種電解液利用線性的、高分子量甘醇二甲醚溶劑以減少雜質(zhì)體積比小于十萬分之一。

研究人員首次測(cè)試了鋰-硅化合物電極在使用LiCF3SO3-TEGDME電解質(zhì)時(shí)的化學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)這種電極材料表現(xiàn)出的可逆容量為780毫安時(shí)/克，平均電壓在0.3伏。另外，還測(cè)試了O2-C氧氣陰極材料的化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在平均電壓和極化表現(xiàn)都比較良好。

研究人員將氧分子陰極和兩份鋰化硅陽極合并入一塊完整的電池中，工作電壓為3伏?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

假設(shè)放電電壓在2.4伏，則理論能量密度就應(yīng)該達(dá)到980瓦時(shí)/千克。正極采用石墨，負(fù)極采用鋰鈷氧化物的傳統(tǒng)鋰電池能量密度為384瓦時(shí)/千克。通過一個(gè)合理的設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)出的正極采用鋰硅化合物，負(fù)極利用氧分子的鋰空氣電池的能量密度將不會(huì)小于理論值。顯然，這類材料使得電池中的鋰離子活性降低，那么電池的容量和平均電壓也隨之降低。表面上看這是缺點(diǎn)，但實(shí)際上，降低鋰離子活性有助于提高電池的安全性，并且其能量密度相比普通鋰電池要高得多。

研究人員觀察到，鋰空氣電池在工作循環(huán)中會(huì)發(fā)生輕微的電壓衰減，他們推測(cè)這是由于鋰硅化合物正極由于氧分子滲透穿過電解質(zhì)形成的過電位現(xiàn)象（過電位是電極的電位差值，無電流通過和有電流通過之電位差值，陽極運(yùn)作作電位永遠(yuǎn)高于平衡狀態(tài)下的電位；陰極運(yùn)作電位永遠(yuǎn)低于平衡狀態(tài)下的電位）。研究人員目前正在試圖解決這個(gè)問題。