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电池正极材料的尝试，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。

　　研究人员观察到，锂空气电池在工作循环中会发生轻微的电压衰减，他们推测这是由于锂硅化合物正极由于氧分子渗透穿过电解质形成的过电位现象(过电位是电极的电位差值，无电流通过和有电流通过之电位差值，阳极运作作电位永远高于平衡状态下的电位;阴极运作电位永远低于平衡状态下的电位)。研究人员目前正在试图解决这个问题。