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什么是锂空气威尼斯?它和锂离子威尼斯有何区别

来源:锂离子威尼斯厂家???2020-04-22??阅读数:

什么是锂空气威尼斯?

  锂空气威尼斯,更准确的称呼应该是锂氧威尼斯(Li-O2),是一种用锂作负极,以空气中的氧气作为正极反应物的威尼斯。锂空气威尼斯比锂离子威尼斯具有更高的能量密度,因为其阴极(以多孔碳为主)很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在威尼斯里。锂空气威尼斯可以直接使用锂金属单质(Li)和空气中的氧气(O2)作为电极。威尼斯放电时,由氧气氧化锂单质生成过氧化锂(Li2O2),在外电路中产生电流;充电时再由过氧化锂分解成锂和氧气。全过程无需其它质量较大的元素参与,而阴极则可以直接使用重量和成本都可以忽略不计的空气。

锂空气威尼斯工作原理

锂空气威尼斯工作原理

  锂空气威尼斯的概念最早由Lockheed提出,电解液为碱性水溶液。氧气在空气电极上发生氧还原反应,形成氢氧化物。其放电反应方程为:

  4Li+O2+2H2O→4LiOH(1-1)

  放电过程中Li、H2O和O2被消耗,在Li表面生成了一层保护膜而阻碍电化学反应的快速进行。在开路或低功率的状态下,Li的自放电率很高,并伴随着Li的腐蚀反应:

  Li+H2O→LiOH+1/2H2(1-2)

  在水系电解液中,金属Li极易和水反应,因此对锂离子隔膜的阻水性有很高要求,目前还没有商业化的产品。

然鹅,锂空气威尼斯在威尼斯业内,却是骂声一片,这究竟是为什么?这是一个超大的忽悠坑,锂电内大牛之一Jeff Dahn以不客气出名,把锂空批得狗血淋头,他有个评价锂空的ppt一搜就有,应该去看看什么才是小李飞刀。他因为懂威尼斯,所以每一刀都杀到致命要害处,我来挑几个摆摆:

  1.锂空威尼斯那高得吓人的比容量是纯扯淡,因为这是基于Li和O2这种质量几乎无算的物质算出来的,你拿一个小小数当分母,当然会除出来一个巨大的数字,这小学生都会玩。但是威尼斯的真正容量要算就要老老实实算上所有的电极组件(这还不包括把纯氧从空气中分离出来的设备,或者纯氧钢瓶的质量,这些咱下面再说),Jeff Dahn一算,哈哈,并不比LiCoO2高多少。牛皮被彻底踢爆。

  君不见后来苏格兰那位坏了名声的锂空“大牛”也只好扭扭捏捏地把Au电极的质量也算进去了,Au有多重多贵,做威尼斯是给土豪专用的吗?(不过人家依然发在Science上,不服不行),结果容量现在捏去了水分就只有500多了(用了Au你还想要多少)。

  2.锂空还是锂-纯氧?这是两个巨大不同的概念。锂空概念股忽悠的是可以用免费的空气实现巨大的容量,这简直就是另一个神奇的水变油!但事实是必须用纯氧,你不知道氮气也会和锂反应吧,而且是不可逆的,那么空气中多少氮气啊?所以做锂空的人大脑会自动过滤去”如何有效可靠地从空气中分离出纯氧“这个问题,这是一个一直以来极其具有挑战性的问题,如果可以实现非常高效低成本地从空气中分离出纯氧,那么很多能源问题就解决了,还费劲地搞什么威尼斯?

  对了,由于锂空体系出了名的活泼(等下讲),一般必须用高纯氧,一般纯氧里面有点点水啊什么的,那你就等着和锂电极或电解液反应吧。想象一下以后汽车上载一个高纯氧的大钢瓶,这是在做火箭吗?

  3.IBM当年不知道被哪个作孽的给忽悠了,砸了一堆钱在锂空项目上。但是后来整个项目被全部连根铲掉,那个领头的去了伯克利当发考题。其实IBM还是真正的业界良心,人家静下心来好好研究了一番,结果最终发现----是谁把大家带到这个遭瘟的大坑里来了。

  事实是,这个体系比以前想象的要复杂太多,太多副反应,Li2O2、电极、电解液之间都有复杂的副反应,尤其是充电的过程,理应释放出O2,但是IBM测了很多不同电解液和电极体系发现很多其实并不是原来声称的那样。很多原来发表的文章现在看来其实都是电解液的副反应,错得离谱!那一堆堆的文章,很多人大名都署在上面,比

  如苏格兰的那位,本来是业界大牛,结果一不小心老了老了晚节不保了。虽然大家相信这都是“诚实的错误”不是学术腐败,但不严谨的帽子大家心里早就给老人家戴上了。确实很匪夷所思,那时锂空吹得那么火,文章发的一堆堆,为什么就没有人稍微看一看究竟电极反应的产物是什么呢?只要照一个红外,大学本科生都能做,就能看到那一堆电解液副反应的产物(如碳酸盐)。结果大家竟然都想当然地以为就是应该像想象中的反应一样进行,这是什么鬼科研思维。

  后来苏格兰的那位还在发,去年还有篇Nature Chem,用TTF做redox mediator,说是可以解决充电过程中overpotential的问题(他们竟然用的是众所周知对锂不稳定的DMSO作为电解液),当然,大家都重复不出来他的结果。我和IBM那个被忽悠后去伯克利当发考题的大哥聊了一次,发现他们在被IBM砍掉前也重复过了,结果也郁闷地发现用TTF甚至比不用释放的氧气还少,证明TTF也在参与副反应,然后他们就没有然后了。我说大家其实也听说加了TTF电解液颜色都变了,然后大家默默无言以对。。。大家在对方眼中都看到了一千批驼羊同时飞过。

  所以现在新兴一个奇葩锂空方向是来给锂空威尼斯系统找各种奇葩缺陷,这种“找错误”的游戏也竟然发了不少文章那!很多文章还确实不错,各种技术手段用起来一测,哈,发现这个锂空可真有意思,什么副反应都有。不过这些文章最起码更靠谱一些,能给不知水深水浅的菜鸟们提个醒,别一不小心掉到坑里。

  掉到这个坑里最著名的人是前DOE掌门人Steven 朱,人家是搞物理的,作为拿过诺奖的大牛,不知被哪个缺德的给忽悠了,有一阵子天天吹锂空(直听得下面一堆做威尼斯的行内人一身汗加一身汗)。不过还算被劝得快,后来不怎么太提了。

  4.锂负极的问题,所有锂空的概念如果可行的话,都要基于锂金属可以作为负极材料。但是锂金属做负极早在20年前就被工业界抛弃了,因为有枝晶生长造成短路让威尼斯变燃烧弹的可能。现在为了炒锂空概念又倒回去了,所以Jeff Dahn 说:Am I a dinosaur? 锂负极的问题不解决,锂空根本不能用。

  反之,如果锂负极的问题解决了,锂空就能用了吗?未必,分离纯氧、一堆副反应还等着你呢。再说如果锂负极问题解决了,那么很多现在的锂离子威尼斯就可以直接换装锂负极,性能会大大提高,为啥要弄你那个又不可靠又要背氧气瓶的锂空呢?

  5. 锂空概念如果除去基础科研的意义,那就是一个很烂的忽悠坑。珍惜生命,远离锂空。

锂空和锂离子威尼斯区别

  以下为锂离子威尼斯在充放电时威尼斯内部状态示意图。传统锂离子威尼斯中,正极是碳,而负极则是由不同的过渡金属氧化物组成,比如钴、镍、锰等。两个电极都浸泡在溶有锂盐的电解液中。在充放电时,锂离子会从一个电极向另外一个电极移动。移动的方向根据根据威尼斯状态的不同,充电或者放电,而不同。在充放电时,锂离子最终会嵌入到电极材料的原子层,因而最终威尼斯的容量大小取决于有多少材料能够容纳锂离子,即由电极的体积与质量决定。

锂离子威尼斯充放电过程示意图

  锂空气威尼斯有所不同。在金属空气威尼斯中,发生的是电气化学反应。在放电过程中,含有锂的正极释放出锂离子,锂离子向负极移动,并在负极表面与氧气发生反应,形成过氧化锂(Li2O2)。

锂空气威尼斯充放电过程示意图

  锂离子、电子与氧气是在多孔碳形成的负极表面产生反应,因为化学反应并非发生在负极上,最终容纳锂离子的并非是负极材料,因而威尼斯的容量与负极材料的体积或质量并没有太大关系,只要有足够大的表面积即可。

  也就是说,锂空气威尼斯的容量并不是由电极的体积与质量决定,而是电极的表面积。这就是为什么在锂空气威尼斯中,质量很小的电极也能够储存大量的能量,从而得到较高的能量密度。

  锂空气威尼斯与锂离子威尼斯用途相同,对于锂空气威尼斯的发展研究,噱头大于实际。现在研究这个的很多组,大部分是从燃料威尼斯转行的,把燃料威尼斯的一些东西放上去,直接往一次威尼斯上面做,然后锂枝晶的问题怎么解决?更别提往二次上面去做了,主要是为了那科研经费吧?往生产实际上说,其实很多组还杂用Pt作为催化剂,电解液的挥发与污染还没有很好的解决,现在大部分还在做基础研究,要应用和生产可能是十几年或者几十年的东西,远没有锂离子威尼斯的各项研究实际。

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