中國粉體網(wǎng)訊  隨著便攜式電子設(shè)備和電動汽車等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對高能量密度電池的需求日益迫切，然而在傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極材料因“插層式”的儲鋰機(jī)制導(dǎo)致其容量普遍較低，無法滿足快速增長的市場需求。因此，新型高能量密度二次電池的探索和研發(fā)成為了儲能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中鋰空氣電池就是典型代表之一。

一、什么是鋰空氣電池？ 

鋰空氣電池由于其超高的能量密度而引起了廣泛的研究興趣。在理空氣電池中，金屬理可以直接與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，因此其理論能量密度可以達(dá)到

3500Wh/kg，是現(xiàn)有鋰電池系列中最高的一類。鋰空氣電池在非水系電解液中主要通過以下可逆循環(huán)反應(yīng)釋放能量：

而在水系電解液中，主要通過以下反應(yīng)來釋放能量：

二、影響鋰空氣電池性能三點(diǎn)因素

鋰空氣電池超高能量密度確實(shí)很誘人，但是其研究中仍需面對很多的挑戰(zhàn)，綜合來講，影響鋰空氣電池性能發(fā)揮的主要因素可以歸納為以下三點(diǎn)：

（1）催化劑。鋰空氣電池放電過程中形成的不導(dǎo)電的Li2O2固體覆蓋在空氣電極表面，導(dǎo)致充電過程中會產(chǎn)生很大的極化現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致較低的能量效率，還會影響碳酸鹽基電解質(zhì)的穩(wěn)定性；催化劑能有效降低析氧反應(yīng)(OER)過電勢，因此開發(fā)有效的催化劑對鋰空氣電池的循環(huán)性能的提高至關(guān)重要。

（2）空氣電極的結(jié)構(gòu)。由于在放電過程中，Li+與氧氣反應(yīng)生成的固態(tài)放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2直接沉積在空氣電極表面，因此Li2O2的含量及形貌都極大地被空氣電極的結(jié)構(gòu)所影響。研究表明空氣電極的比表面積和孔尺寸對鋰空氣電池性能發(fā)揮有重要作用。

（3）電解液的穩(wěn)定性。鋰空氣電池目前主要采用常規(guī)的鋰離子電池電解液，如鋰鹽的碳酸脂溶液。但在研究中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)過程中此類電解液容易分解，導(dǎo)致電池循環(huán)性能下降。因此，尋找新一類電解液成為提高鋰空氣電池性能的一個關(guān)鍵因素。

三、石墨烯在鋰空氣電池中的應(yīng)用

石墨烯作為導(dǎo)電碳材料家族的新成員，在鋰空氣電池領(lǐng)城具有重要的應(yīng)用前景。一方面，石墨烯材料的邊緣或結(jié)構(gòu)峽陷能夠降低放電過程中產(chǎn)生的過電勢，且與其他催化劑間的協(xié)同效應(yīng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)催化作用；另一方面，以石墨烯微片為結(jié)構(gòu)基元構(gòu)筑的多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榭諝怆姌O提供高比表面積和較大的孔體積。可以有效提高鋰空氣電池的容量。

1、石墨烯基復(fù)合催化材料在鋰空氣電池中的應(yīng)用

在鋰空氣電池系統(tǒng)中，空氣電極材料除了滿足導(dǎo)電性需求，還要具有良好的氧還原催化能力。目前常用的氧還原催化劑包括貴金屬和金屬氧化物等、研究表明，石墨烯材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和高比表面積，可以作為各種氧還原催化劑，如MnO2、Co3O4、SnO2、Mn（Ni，Cu）CO2O4、Ru和Pt等的優(yōu)良載體以提高其催化活性。

金屬氧化物類催化劑不僅能物理負(fù)載于石墨烯片上，也可以通過化學(xué)方法原

位直接生長在石墨烯基底上。而后者更有利于催化性能的發(fā)揮。原位生長通常采用GO作為前驅(qū)體，因帶負(fù)電的GO能夠與金屬陽離子發(fā)生較強(qiáng)的靜電相互作用，為其提供有效的吸附位點(diǎn)。通過后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)或者熱退火過程，將金屬離子轉(zhuǎn)變成金屬氧化物的同時把GO還原，獲得石墨烯金屬氧化物復(fù)合材料。

另外，研究發(fā)現(xiàn)雜原子摻雜能夠有效提高石墨烯的導(dǎo)電率，并可引入結(jié)構(gòu)缺陷，因此雜原子摻雜石墨烯在鋰空氣電池中的應(yīng)用也極具研究價值。

2、石墨烯為純碳空氣電極在鋰空氣電池中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯片層邊緣或其結(jié)構(gòu)缺陷對OERs和析氫反應(yīng)（HERs）也展現(xiàn)出優(yōu)異的催化能力。同時由于其高比表面積，以及可以構(gòu)筑三維多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，石墨烯具備成為高性能空氣電極的巨大潛力。

石墨烯為空氣電極時，放電后產(chǎn)物L(fēng)i2O2或Li2O會沉積在石墨烯表面，阻止氧氣和電子的傳輸，而通過合適的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效加以避免。

圖1 基于氧化石墨烯凝膠制備的自支撐多級孔空氣電極的鋰空氣電池

如圖 1所示，在GO形成的大孔網(wǎng)絡(luò)上，利用NiOOH還原過程中與GO表面反應(yīng)的機(jī)理，制備大量微孔結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中大孔提供自支撐的結(jié)構(gòu)，且利于氧氣的傳輸，而大量的微孔則為鋰空氣電池的放電過程提供了足夠的氧氣反應(yīng)場所。

另外，由于放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2或Li2O不溶解在有機(jī)電解液中，直接影響鋰空氣電池的循環(huán)性能，為了克服這一缺陷，可以設(shè)計(jì)一種新型混合鋰空氣電池系統(tǒng)（如圖 2 所示）金屬鋰與有機(jī)電解液接觸，而石墨烯空氣電極與水系電解液接觸，有機(jī)電解液與水系電解液由一層固態(tài)電解質(zhì)阻隔。

圖 2 新型混合鋰空氣電池系統(tǒng)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，使用比表面積為342.6m2/g的石墨烯作為空氣電極，不僅以其多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提高了混合鋰空氣電池的放電容量，還因?yàn)樵诨旌箱嚳諝怆姵叵到y(tǒng)中產(chǎn)生的LiOH導(dǎo)致充電過程電勢降低；同時，石墨烯邊緣和缺陷的催化效果有效降低了過電勢。在使用石墨烯材料后，循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次。

四、結(jié)語

電化學(xué)儲能在當(dāng)今人們的生產(chǎn)生活中占有重要地位，無論是可再生能源的大量存儲還是便攜式設(shè)備的高密度存儲，對電化學(xué)儲能器件和材料的成本、儲能密度、穩(wěn)定性等指標(biāo)都提出了較高的要求。

鋰空氣電池具有超高的能量密度，但其距離實(shí)際應(yīng)用仍有很長的路要走，而石墨烯基儲能材料的儲能機(jī)制也有待進(jìn)一步深入探索，材料的可控和規(guī)模化制備技術(shù)也待進(jìn)一步研發(fā)，但是相信隨著科技的發(fā)展，基于石墨烯的新型儲能材料，例如鋰空氣電池在不久的將來定能走入千家萬戶，真正造福社會。