锂空气电池和锂硫电池的工作原理和发展中存在的问题
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1、锂空气电池 锂空气电池是金属空气电池中的一种，由于使用分子量最低的锂金属作为活性物质，其理论比能量非常高。不计算氧气质量的话，为11140 Wh/kg，实际上可利用的能量密度也可达 1700 Wh/kg，远高于其它电池体系。锂空气电池的基本结构和工作机理如下图所示。 锂空气电池按使用的电解液的状态不同，主要可分为水体系、有机体系、水-有机混合体系以及全固态锂空气电池。在有机体系锂空气电池工作时，原料O2通过多孔空气电极进入电池内部，在电极表面被催化成O2-或者O22-，接着与电解质中的Li 结合，生成过氧化锂（Li2O2）或氧化锂（Li2O），产物沉积在空气电极表面。当空气电极中的所有的空气孔道都被产物堵塞后，电池放电终止。其电极反应如下所示： 正极：O2 2e- 2Li ↔ Li2O2 ； O2 4e- 4Li ↔2Li2O 负极：Li ↔ Li e- 总反应：2Li O2↔ Li2O2 (2.96V) ； 4Li O2↔2Li2O (2.91V) 锂空气电池有着不可比拟的超高能量密度、环境友好以及价格低廉等优势，但其研究尚属初级阶段，存在非常多棘手的问题，主要有： （1）正极反应需要催化剂。放电过程中，在没有催化剂存在的情况下，氧气还原非常慢；充电过程中，电压平台为 4V 左右，容易造成电解液的分解等副反应。需要使用适当催化剂来帮助电池反应。 （2）锂空气电池是敞开体系，会引发诸如电解液挥发、电解液氧化、空气中的水分和CO2与金属锂反应等一系列致命问题。 （3）空气电极孔道堵塞问题。放电生成不溶于电解液的Li2O和Li2O2会堆积在空气电极中，阻塞空气孔道，导致空气电极失活、放电终止。 综上所述，锂空气电池中存在很多问题亟待解决：包括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。虽然锂空气电池取得了一些进步，但要真正应用还有很长一段路要走。 2、锂硫电池 锂硫电池研究最早起源于上世纪70年代，但是一直以来锂硫电池的实际容量不高、衰减严重，并未受到重视。2009年，Linda F. Nazar课题组报道了硫碳复合物作为锂硫电池正极材料获得较好的循环性和非常高的放电容量，掀起了锂硫电池研究的热潮。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，其电池结构如图所示。 其中以正极材料为单质硫（主要以S8环形态存在）计算，其理论比容量为 1675 mAh/g，理论放电电压为2.287 V，理论能量密度为2600 Wh/kg。充放电时，电极反应如下所示： |
