什么是鋰空氣電池
鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)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(huán)境中獲取而不用保存在電池里。
放電過程：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。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。
鋰空氣電池工作原理與反應(yīng)方程式
鋰空氣電池采用鋰作為負(fù)極活性材料，采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料，按電解質(zhì)體系主要分為有機電解液體（非水性電解液體系）、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態(tài)電解質(zhì)體系。
不同電解液體系鋰空氣電池
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(fā)生氧還原反應(yīng)，形成氫氧化物。其放電反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的快速進行。在開路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應(yīng)：
Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）
在水系電解液中，金屬Li極易和水反應(yīng)，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。綜合考慮實用性和安全性，水系鋰空氣電池并非最終實際應(yīng)用的首選。
非水電解液體系的鋰空氣電池使用了含有可溶性鋰鹽的有機電解液，工作原理是基于Li2O2的生成與分解：
4Li+O2→2Li2O（1-3）
2Li+O2→Li2O2（1-4）
根據(jù)1-3式計算，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，在實際應(yīng)用中，由于氧氣來自外界環(huán)境，排除氧氣后的能量密度高達11430Wh/kg。
目前對于全固態(tài)鋰空氣電池報道較少，其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好、避免形成鋰枝等優(yōu)點，但其低導(dǎo)電性，容量和能量密度限制了其發(fā)展。
每一種電池體系都有其各自的優(yōu)點，同時也都面臨著反應(yīng)機理和工藝設(shè)計的難題。目前對于鋰空氣電池的研究大多數(shù)是采用有機電解液體系。
鋰空氣電池的性能
空氣電池這是一種由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本學(xué)術(shù)振興會（JSPS）共同開發(fā)出的一種新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。
理論上可實現(xiàn)大容量的“鋰空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚目。不過此前的鋰空氣電池存在正極蓄積固體反應(yīng)生成物，阻隔了電解液與空氣的接觸，導(dǎo)致停止放電等問題。
負(fù)極（金屬鋰）采用有機電解液，正極（空氣）方面則使用水性電解液，兩極由固體電解質(zhì)隔開，以防止兩電解液發(fā)生混合。由于固體電解質(zhì)只通過鋰離子，因此電池的反應(yīng)可無阻礙地進行。正極的反應(yīng)生成物具有水溶性，不產(chǎn)生固體物質(zhì)。實驗證明該電池可連續(xù)放電50000mAh/g（空氣極的單位質(zhì)量）。
該技術(shù)極有望用于汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補充負(fù)極的金屬鋰的話，汽車可實現(xiàn)連續(xù)行駛且無需充電等待時間?？梢詮挠眠^的水性電解液中輕松提取金屬鋰，鋰能夠反復(fù)使用?？梢哉f是用金屬鋰作為燃料的新型燃料電池。
鋰離子電池目前已經(jīng)開始在電動汽車上應(yīng)用，為了實現(xiàn)長距離行駛，作為蓄電池時的高性能化和低成本化備受期待。但目前的鋰離子電池受制于電池容量很難實現(xiàn)長距離行駛，要實現(xiàn)長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價格大幅上升的問題。
要實現(xiàn)電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。因此，理論上能源密度遠遠大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。由于鋰空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物質(zhì)，理論上正極容量無限大，因此可實現(xiàn)大容量。
鋰空電池的優(yōu)缺點
鋰空氣電池的理論比能量為11430Wh/kg（排除O2重量），與汽油的比能量相近。因而，鋰空氣電池系統(tǒng)實際比能量預(yù)計能夠達到1700Wh/kg。近十年，特別是最近幾年，鋰空氣電池正在被廣泛的研究，也報道了許多重要的實驗結(jié)果，但最高的電池實際能量密度僅比鋰離子電池高一些。因而提高電池的能量密度和倍率性能來實際應(yīng)用于未來領(lǐng)域還需要更多的突破性進展。
與其他電池相比，鋰空氣電池有比能量高、成本低廉、可充放性、環(huán)境友好等。但是，對于有機體系，在空氣電極、電解液、催化劑等方面已經(jīng)有了一定認(rèn)識，但還存在著一些重要的問題，如放電性能、能量效率、催化劑、空氣電極設(shè)計、都是鋰空氣電池體系的關(guān)鍵科學(xué)問題。這些這些問題的解決將會推動鋰空氣電池走向?qū)嶋H的應(yīng)用。
鋰空氣電池應(yīng)用前景分析
池的續(xù)航能力能夠加強，才會真正步入電動汽車的時代。不過，貌似這一幕離我們已經(jīng)不再遙遠：劍橋大學(xué)的團隊已經(jīng)解決了這一技術(shù)存在的某些實際問題，其在電動化學(xué)領(lǐng)域的一項突破可能將大幅提高電池容量。
劍橋大學(xué)的化學(xué)教授克萊爾˙格雷和她的團隊認(rèn)為，攻克了鋰空氣電池開發(fā)中的技術(shù)難關(guān)。理論上說，只有這種電池能讓電動汽車在不必攜帶巨大而笨重的電池組的情況下，擁有可媲美汽油車及柴油車的續(xù)航里程。鋰空氣電池能量密度比目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術(shù)要高10倍。意味著同樣體積的電池，鋰空氣電池的儲電量是其他鋰電池的10倍。研究人員表示，劍橋?qū)嶒炇抑姓故镜碾姵叵到y(tǒng)效率達90%，可充電2000次。
劍橋大學(xué)這種鋰空氣電池的化學(xué)原理其實十分簡單。它通過鋰和氧結(jié)合成過氧化鋰實現(xiàn)放電，然后再通過施加電流逆轉(zhuǎn)這一過程而完成充電。而在此之前，由于這種化學(xué)上的不穩(wěn)定，鋰空氣電池會顯示出性能迅速衰退的現(xiàn)象。同時，他們還用石墨烯構(gòu)造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使電池保持化學(xué)穩(wěn)定，解決了之前容易發(fā)生爆炸的問題?，F(xiàn)在正在盡力讓電池實現(xiàn)直接用空氣就能運行。若是這項技術(shù)能從實驗室發(fā)展到汽車上，那么電動汽車一次充電就足以從倫敦行駛至愛丁堡，而電池的成本和重量僅為當(dāng)前鋰離子電池的五分之一。
不過，劍橋大學(xué)方面也表示，這種技術(shù)要真正成熟并運用到電動汽車和儲電產(chǎn)品中，還需要一段的時間，也許在10年以內(nèi)就能實現(xiàn)。