锂空气电池

本书由活跃在锂空气电池前沿领域的国际知名研究者执笔，他们关注电池内部所发生的反应过程并致力克服在此过程中所面临的困难，并将锂空气电池的研究新进展和关键技术介绍给读者。 

本书从反应机理、组件结构和器件设计等多方面,对锂空气电池进行了详细介绍和全面论述。每章的编著者都是本领域的前沿研究者，他们结合自身丰富的研究和工作经验，为读者提供了翔实的锂空气电池基础理论知识。全书既可视为一个整体，亦可每章单独成文，为从事锂空气电池及化学电源的科技研发工作者提供实用性参考。

解晶莹，研究员。长期从事锂系电池相关应用基础研究及工程化开发、产业化工作。主要研究方向:新型化学电源及相关材料和电源系统研究。

第1章绪论001

1.1锂空气电池的能量密度001

1.2锂空气电池的发展007

1.3锂空气电池的关键问题和应用前景013

参考文献017

第2章非水电解液019

2.1引言019

2.2有机强酸酯类电解液020

2.3稳定电解液025

2.3.1醚类029

2.3.2离子液体031

2.3.3酰氨基类034

2.3.4砜类039

2.3.5二甲基亚砜类041

2.3.6锂盐电解质045

2.4电解液的稳定性047

2.5小结与展望048

参考文献049

第3章有机体系锂空气电池中的正极电化学过程053

3.1引言053

3.2基于碳阴极的锂空气电池电化学过程057

3.2.1恒流充放电过程057

3.2.2放电充电化学过程063

3.3电解液稳定性065

3.3.1DEMS稳定性065

3.3.2循环性能070

3.3.3关于电解液稳定性的理论072

3.4正极稳定性075

3.5空气中的污染物对锂空气电池的影响078

3.5.1H2O的影响078

3.5.2CO2的影响079

3.5.3选择性透氧层的前景080

3.6基础电化学082

3.6.1机理082

3.6.2动力学过电势088

3.6.3第一性原理过电势090

3.6.4电催化作用092

3.7电荷传输限制093

3.7.1Li2O2电荷传输的实验研究094

3.7.2电荷传输的理论模型096

3.7.3极化子的电荷传输098

3.7.4Li2O2电荷传输问题099

3.8小结和展望100

参考文献101

第4章锂空气电池中氧的还原/析出反应动力学过程及产物105

4.1可充电锂空气电池的能量密度、功率密度及其所面临的挑战105

4.2锂空气电池放电过程动力学及放电产物110

4.2.1碳电极上的氧还原反应动力学110

4.2.2小倍率、低过电势下放电反应产物112

4.2.3大倍率、高过电势条件下的放电产物116

4.3锂空气电池中放电态正极的表面化学118

4.3.1与Li2O2形貌相关的表面化学118

4.3.2Li2O2和碳之间的化学反应119

4.3.3Li2O2与醚类电解液的化学反应123

4.3.4固态锂空气电池的原位APXPS研究125

4.4放电产物形貌和其表面化学性质对Li2O2氧化的影响127

4.5高过电势下充电制约因素的原位TEM研究133

4.6小结和展望134

参考文献135

第5章原子理论和第一性原理：锂空气电池的计算研究139

5.1引言139

5.2Li2O2性质140

5.2.1过电势140

5.2.2电子电导率143

5.3电催化剂147

5.3.1碳147

5.3.2贵金属148

5.3.3过渡金属氧化物148

5.4电解液150

5.5小结与展望150

参考文献151

第6章基于锂保护电极的锂空气电池155

6.1引言155

6.2金属空气电池的前景与问题155

6.3锂空气电池：水系与非水系156

6.3.1非水体系锂空气电池158

6.3.2水系锂空气电池163

6.4小结与展望170

参考文献172

第7章水系锂空气电池的空气电极174

7.1引言174

7.2正极电化学反应175

7.3充/放电过程中的空气电极176

7.3.1放电反应176

7.3.2充电反应176

7.4电解液的影响178

7.4.1充电反应178

7.4.2放电反应180

7.4.3CO2的影响180

7.4.4放电产物的影响180

7.4.5水分管理181

7.5复合空气电极182

7.6小结与展望183

参考文献183

第8章水系锂空气电池的固体电解质185

8.1引言185

8.2NASICON类水中稳定锂离子固体电解质：LATP186

8.3石榴石型水溶液稳定锂离子导体固体电解质：Li7La3Zr2O12 191

8.4锂离子固体电解质薄片的制备194

8.5水系可充电锂空气电池性能197

参考文献201

第9章全固态锂空气二次电池203

9.1引言203

9.2全固态电池204

9.3电池材料204

9.3.1负极205

9.4电解质（膜）205

9.5氧气电极（正极）206

9.5.1电化学催化206

9.5.2LAGP的电催化性能207

9.6电池反应和开路电压209

9.7电池设计211

9.8密封电池的电化学性能212

9.8.1能量效率212

9.8.2循环性能212

9.8.3温度的影响213

9.8.4库伦效率（CE）215

9.9小结与展望216

参考文献216

第10章一次锂空气电池218

10.1引言218

10.2空气电极222

10.2.1不同碳材料的比表面积和孔隙比223

10.2.2微观结构226

10.2.3表面修饰（能量密度/功率密度）229

10.3电解液231

10.3.1非水系液态电解液233

10.3.2聚合物和固态电解质235

10.3.3离子液体236

10.3.4水系及混合体系电解液237

10.4设计238

10.5挑战及展望243

参考文献244

第11章锂空气电池系统概述：氧气处理的要求与技术248

11.1引言248

11.2系统的设计及目标249

11.3从活性物质到汽车系统253

11.4密封式锂空气电池中的O2储存256

11.5开放式锂空气电池中的O2分离260

11.6小结与展望262

参考文献263

索引265

21世纪，能源存储问题是人类社会所面临的最大挑战之一。可以预见，随着人口的增长和地区工业化的发展，世界对能源的需求将不可逆转地增加（从现在到2040年将上升56%）。因此，核能和可再生燃料发电将在以煤、石油和天然气为主的发电领域占据越来越重要的地位。在能源需求增长的大背景下，采用可再生能源能够降低CO2的排放并减缓气候变化。而可再生能源的使用也改变了人们对能源存储的要求。储能设备的发展与传统能源的使用息息相关，而最终的储能设备必须能够适应新能源发电过程中所产生的间歇性电能，并在用户需要时进行供给。虽然从时间尺度而言电化学储能并不会立即应用在电网中，但是在电气化运输领域其应该具有无可替代的作用并且已经开始崭露头角。目前，具有足够能量密度的储能单元在成本、安全性和寿命方面仍存在的问题是阻碍电动汽车大规模市场化的瓶颈。为了满足储能的要求，需要有一系列的解决方案，这其中就包括了锂离子电池的应用。索尼公司在1991年成功实现了锂离子电池的商品化。相对于当时其他的储能体系，锂离子电池凭借其自身高能量密度的特性，在过去的二十年中引领了便携式电子产品的变革，而其自身通过缓慢的发展而具备了更高的能量密度。目前锂离子电池已经在电动汽车中得到应用，并且将成为该领域今后多年的研究热点。然而，若要消费者真正大规模地接受电动汽车，就必须超越目前锂离子电池的储能极限，采用一种具有更高能量密度的储能体系。这已经成为现阶段研究人员的共识。因此，探索能量密度高于锂离子电池的可充电电池体系变得十分重要。相应的选择实际上十分有限，而其中就包含了锌空气电池和锂硫体系电池。在此基础上，将锂金属负极和氧气正极相结合，就可以得到理论能量密度最高的电池，即锂空气电池。将氧气作为电池正极反应物并非新的想法，如一次锌空气电池在几十年前就已经开始使用。对锂空气电池的探索始于20世纪70年代，特别值得注意的是Abraham在1996年所做出的开创性工作。如今，对能源的改善性需求使得研究者们对可充电锂空气电池的兴趣愈加浓厚。但是任何有潜力的技术在实用化的转化过程中都需要攻克相当大的障碍。譬如先前的锂离子电池，在研发初期许多研究者根本不相信可充电的锂离子电池能够商业化。与之类似，对二次锂空气电池早期原型的研究结果表明，在电池中实际发生的反应过程并非是最初研究者所制定的机理过程。由此所能得到的明确结论是，对电池运行时所发生的化学和电化学过程的根本理解必不可少。而只有获得了这些知识才能够使得锂空气电池的商业化具备可能性。本书的编著者们都是活跃在锂空气电池前沿领域的研究者，关注电池内部所发生的反应过程并致力于克服在此过程中所面临的困难。研究结果对电解液的作用、电极的稳定性、电极反应的机理以及反应产物的形貌等内容进行了论述，阐明了固体电解质、锂保护电极的使用和正极气体的处理问题。正是该领域中值得关注的重点发展方向，让我们认为目前是编写本书的恰当时机。当然，即便该项目已经取得了显著的进展，但仍有非常多的问题还有待探索，以明晰锂空气电池背后的科学奥秘，而这也决定了这项技术最终是否可行。Nobuyuki Imanishi于日本津市Alan C.Luntz于美国加利福尼亚Peter G.Bruce于英国圣安德鲁斯