用鋰化硅作為鋰空氣電池正極材料的應用研究

羅馬Sapienza大學、韓國漢陽大學（Hanyang University）以及美國阿貢實驗室的研究人員展示了鋰空氣電池的陽極替代材料，采用氫氧化鋰硅碳正極材料代替原本的鋰金屬材料。雖然這種材料的所能提供的電壓值和容量相比傳統鋰空氣電池要低，不過其安全性能和能量密度要比鋰金屬正極材料高。

“據我們所知，這是首次在鋰空氣電池中舍棄鋰金屬正極材料的嘗試，這或將離鋰空氣電池應用到實際中的目標更近一步。”

理論上，鋰空氣電池的能量密度非常高，能夠滿足電動汽車所需的能量密度要求，達到11,420瓦時/千克。研究人員指出，在大部分應用配置中，鋰空氣電池正極為鋰金屬化合物；采用非水性電解液；負極采用石墨。

陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li ），Li 穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。化學反應式為：2Li O2 ? Li2O2。

目前阻礙鋰空氣電池發展的因素主要有三個：

1.電解液液中的電解質不穩定

2.可逆化學反應過程受到限制（指從過氧化鋰和氧化鋰分解為氧氣分子和鋰離子的能力）

3.鋰金屬化合物正極的化學性能

其中，關于電解質不穩定性的問題已經得到解決，通過利用二甲氧基乙烷、離子電解液和聚（環氧乙烷）-鋰鹽等物質代替有機碳酸酯類電解質，前三者的化學穩定性都優于后者。關于可逆反應不充分的問題，研究人員正在研發更合適作為電池陰極的材料，并探索可利用的催化劑以促使可逆反應的發生。

第三個問題最近才被研究人員重視，在此之前所有的鋰空氣電池都是采用鋰金屬化合物作為陽極材料。目前采用氫氧化鋰-硅材料結合乙二醇二甲醚電解液，試圖舍棄鋰金屬化合物。鋰化硅電極用來連接球形納米硅碳復合粒子與鋰箔。這樣電極中的納米級碳粒子包裹著鋰化硅粒子，顯微鏡照片顯示電極被一層固體電解質膜所覆蓋。

電解質采用了三氟甲磺酸的鹽(LiCF 3 SO 3）、四甘醇二甲醚玻璃纖維。這種電解液利用線性的、高分子量甘醇二甲醚溶劑以減少雜質體積比小于十萬分之一。

研究人員首次測試了鋰-硅化合物電極在使用LiCF3SO3-TEGDME電解質時的化學性能，研究發現這種電極材料表現出的可逆容量為780毫安時/克，平均電壓在0.3伏。另外，還測試了O2-C氧氣陰極材料的化學性能，發現在平均電壓和極化表現都比較良好。

研究人員將氧分子陰極和兩份鋰化硅陽極合并入一塊完整的電池中，工作電壓為3伏。化學反應式如下：

假設放電電壓在2.4伏，則理論能量密度就應該達到980瓦時/千克。正極采用石墨，負極采用鋰鈷氧化物的傳統鋰電池能量密度為384瓦時/千克。通過一個合理的設計，實際設計出的正極采用鋰硅化合物，負極利用氧分子的鋰空氣電池的能量密度將不會小于理論值。顯然，這類材料使得電池中的鋰離子活性降低，那么電池的容量和平均電壓也隨之降低。表面上看這是缺點，但實際上，降低鋰離子活性有助于提高電池的安全性，并且其能量密度相比普通鋰電池要高得多。

研究人員觀察到，鋰空氣電池在工作循環中會發生輕微的電壓衰減，他們推測這是由于鋰硅化合物正極由于氧分子滲透穿過電解質形成的過電位現象（過電位是電極的電位差值，無電流通過和有電流通過之電位差值，陽極運作作電位永遠高于平衡狀態下的電位；陰極運作電位永遠低于平衡狀態下的電位）。研究人員目前正在試圖解決這個問題。