用锂化硅作为锂空气电池正极材料的应用研究

    罗马Sapienza大学、韩国汉阳大学（Hanyang University）以及美国阿贡实验室的研究人员展示了锂空气电池的阳极替代材料，采用氢氧化锂硅碳正极材料代替原本的锂金属材料。虽然这种材料的所能提供的电压值和容量相比传统锂空气电池要低，不过其安全性能和能量密度要比锂金属正极材料高。

    “据我们所知，这是首次在锂空气电池中舍弃锂金属正极材料的尝试，这或将离锂空气电池应用到实际中的目标更近一步。”

    理论上，锂空气电池的能量密度非常高，能够满足电动汽车所需的能量密度要求，达到11,420瓦时/千克。研究人员指出，在大部分应用配置中，锂空气电池正极为锂金属化合物；采用非水性电解液；负极采用石墨。

    阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li ），Li 穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。化学反应式为：2Li O2 ⇆ Li2O2。

    目前阻碍锂空气电池发展的因素主要有三个：

    1.电解液液中的电解质不稳定

    2.可逆化学反应过程受到限制（指从过氧化锂和氧化锂分解为氧气分子和锂离子的能力）

    3.锂金属化合物正极的化学性能

    其中，关于电解质不稳定性的问题已经得到解决，通过利用二甲氧基乙烷、离子电解液和聚（环氧乙烷）-锂盐等物质代替有机碳酸酯类电解质，前三者的化学稳定性都优于后者。关于可逆反应不充分的问题，研究人员正在研发更合适作为电池阴极的材料，并探索可利用的催化剂以促使可逆反应的发生。

    第三个问题最近才被研究人员重视，在此之前所有的锂空气电池都是采用锂金属化合物作为阳极材料。目前采用氢氧化锂-硅材料结合乙二醇二甲醚电解液，试图舍弃锂金属化合物。锂化硅电极用来连接球形纳米硅碳复合粒子与锂箔。这样电极中的纳米级碳粒子包裹着锂化硅粒子，显微镜照片显示电极被一层固体电解质膜所覆盖。

    电解质采用了三氟甲磺酸的盐(LiCF 3 SO 3）、四甘醇二甲醚玻璃纤维。这种电解液利用线性的、高分子量甘醇二甲醚溶剂以减少杂质体积比小于十万分之一。

    研究人员首次测试了锂-硅化合物电极在使用LiCF3SO3-TEGDME电解质时的化学性能，研究发现这种电极材料表现出的可逆容量为780毫安时/克，平均电压在0.3伏。另外，还测试了O2-C氧气阴极材料的化学性能，发现在平均电压和极化表现都比较良好。

    研究人员将氧分子阴极和两份锂化硅阳极合并入一块完整的电池中，工作电压为3伏。化学反应式如下：

    假设放电电压在2.4伏，则理论能量密度就应该达到980瓦时/千克。正极采用石墨，负极采用锂钴氧化物的传统锂电池能量密度为384瓦时/千克。通过一个合理的设计，实际设计出的正极采用锂硅化合物，负极利用氧分子的锂空气电池的能量密度将不会小于理论值。显然，这类材料使得电池中的锂离子活性降低，那么电池的容量和平均电压也随之降低。表面上看这是缺点，但实际上，降低锂离子活性有助于提高电池的安全性，并且其能量密度相比普通锂电池要高得多。