隨著鋰離子電池的能量密度逐漸接近其極限能量密度，人們紛紛將目光投向了下一代高比能電池技術(shù)的開發(fā)，其中Li-空氣電池憑借著3400Wh/kg的理論能量密度吸引了廣泛的關(guān)注。雖然Li-空氣電池的理論能量密度很高，但是要實(shí)現(xiàn)這樣的能量密度并不容易，空氣電極、電解液、負(fù)極保護(hù)層和空氣擴(kuò)散層等結(jié)構(gòu)都會(huì)顯著的增加電池的重量，導(dǎo)致Li-空氣電池的能量密度的降低，因此Li-空氣電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也同樣值得我們深入的研究。

空氣電極

Li-空氣電池的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示【2】，主要包含Li金屬負(fù)極，電解液，保護(hù)層，多孔結(jié)構(gòu)的空氣電極，以及空氣擴(kuò)散層等部分。對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)空氣電極而言，碳材料的選擇至關(guān)重要，由于Li-空氣電池中正極的反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i2O2會(huì)在空氣電極的微孔內(nèi)部堆積，因此空氣電極比表面積和孔結(jié)構(gòu)對(duì)于空氣電極的性能具有重要的影響，相關(guān)研究表明微孔尺寸在80nm時(shí)，空氣電極的比容量可達(dá)7169mAh/gcarbon，大小孔混合結(jié)構(gòu)還能夠?qū)⒄龢O的容量進(jìn)一步提升至19800mAh/gcarbon-37523mAh/gcarbon，因而科琴黑、碳納米管等由于良好的導(dǎo)電性和大的比表面積、以及合適的孔結(jié)構(gòu)的碳材料能夠?yàn)榭諝怆姌O提供良好的電化學(xué)性能。

電解液

電解液主要負(fù)責(zé)在正負(fù)極之間傳導(dǎo)Li+，需要同時(shí)與強(qiáng)還原性的負(fù)極和強(qiáng)氧化性的正極接觸，因此電解液的穩(wěn)定性就變的至關(guān)重要，因此離子液體就成為了最常用的電解液，Pyr14–TFSI、DEME和EMI–TFSI等離子液體都在Li-空氣電池中展現(xiàn)出了非常好的穩(wěn)定性。

負(fù)極保護(hù)層

由于金屬Li負(fù)極的強(qiáng)還原性，因此為了避免金屬Li負(fù)極直接與O2接觸，我們還需要在正負(fù)極之間增加一層保護(hù)層，陶瓷電解質(zhì)是一種優(yōu)良的O2阻擋層，但是由于陶瓷電解質(zhì)脆性大、密度高，因此難以單獨(dú)使用，通常我們會(huì)采用陶瓷電解質(zhì)顆粒與聚合物電解質(zhì)混合使用的方式改善保護(hù)層的性能，此外聚合物離子液體也常被用來(lái)作為保護(hù)層。

空氣擴(kuò)散層等

此外為了給電池供應(yīng)充足的O2，Li-空氣電池還需要進(jìn)氣管，空氣擴(kuò)散層和用來(lái)保護(hù)金屬Li的密封結(jié)構(gòu)，這些都會(huì)增加Li-空氣電池的重量。為了提高Li-空氣電池的能量密度就需要我們盡可能的降低這些非活性材料的重量占比，因此Li-空氣電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就成了實(shí)現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵。

近日韓國(guó)三星公司旗下的尖端技術(shù)研究院的JungO.Park等人設(shè)計(jì)了一款容量為500mAh的Li-空氣電池【1】，其比能量最高可達(dá)1230Wh/kg，體積能量密度最高可達(dá)880Wh/L，下面我們就以該電池為例為大家詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)一款高能量密度的Li-空氣電池，下圖為JungO.Park設(shè)計(jì)的高能量密度Li-空氣電池的結(jié)構(gòu)，電池各個(gè)部分的制備方法如下：

正極

正極采用碳納米管（CNTs）、電解液、粘結(jié)劑和溶劑（質(zhì)量比為1:2:0.2:1.5）混合制成，其中電解液為L(zhǎng)iTFSI的EMI-TFSI溶液，PTFE作為粘結(jié)劑，以丙二醇作為溶劑，然后經(jīng)過(guò)混合、滾壓和干燥后制成厚度為30um，面密度為2.6mg/cm2的正極，其中CNTs、電解液和粘結(jié)劑的比例為1:2:0.2。

電解液層

在該電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保護(hù)層與電解液被整合在一起，將PDDA–TFSI、PYR14–TFSI和LiTFSI按照17.5:75:7.5比例混合的溶液涂布在10um的隔膜表面，然后在80℃的環(huán)境下干燥4h，然后在隔膜的另一面再涂布一層電解液，最終電解液層的厚度在20um，面密度在2.9mg/cm2。

Li-空氣電池

將上面制備的正極層分切成為3.5cm×5cm的方塊，電解液層則切割為7.2cm×30cm的方塊，將8塊正極片放在電解液層上組合成為“正極／電解液”（CE）層，因此CE層的厚度為50um，面密度為5.5mg/cm2。然后將Li復(fù)合在Cu箔表面（Li箔30um厚，銅箔10um厚）并切割為7×30cm的方塊，然后復(fù)合在CE層的電解液一側(cè)。然后Li/CE復(fù)合層還需要采用機(jī)器進(jìn)行折疊，并在對(duì)折的兩層正極之間放入空氣擴(kuò)散層（GDL，厚度50um），最終完成的電池結(jié)構(gòu)如下圖所示。

下圖a為一個(gè)折疊10層的Li-空氣電池的結(jié)構(gòu)，其尺寸為7cm×1cm×0.23cm，活性面積達(dá)到140cm2，由于采用折疊結(jié)構(gòu)大幅降低了電池密封結(jié)構(gòu)、氣體擴(kuò)散層和進(jìn)氣導(dǎo)管等非活性材料的重量，從而有效的提高了Li-空氣電池的實(shí)際能量密度。

下圖為上述電池的充放電曲線（電池被置于80℃的O2環(huán)境中，電流密度0.24mA/cm2），從下圖我們可以看到電池的放電容量為500mAh/g左右，放電電壓平臺(tái)在2.6V左右，電池的重量能量密度可達(dá)560Wh/kg，體積能量密度可達(dá)800Wh/L。實(shí)際上由于金屬Li良好的導(dǎo)電性，因此即便不采用銅箔也仍然能夠獲得非常好的電化學(xué)性能，同時(shí)也能夠大幅降低電池的重量，從而有效的提升電池的能量密度，計(jì)算顯示如果僅采用30um的Li箔，電池的能量密度可達(dá)1230Wh/kg，體積能量密度能夠達(dá)到880Wh/L，如果能夠?qū)i箔的厚度僅一步降低到17um則能夠?qū)㈦姵氐哪芰棵芏饶軌蜻M(jìn)一步提高到1360Wh/kg，體積能量密度達(dá)到1000Wh/L。但是我們需要注意的是作者在計(jì)算電池能量密度時(shí)并未考慮封裝結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣導(dǎo)管等結(jié)構(gòu)的重量，因此電池的實(shí)際能量密度并不能達(dá)到上述計(jì)算的能量密度。

盡管Li-空氣電池具有遠(yuǎn)高于鋰離子電池的能量密度，但是循環(huán)性能卻常常成為短板，下圖為采用折疊一次的Li-空氣電池的循環(huán)性能，電池的尺寸為3cm×1cm，活性面積為6cm2，容量為6.7mAh，從下圖我們看到在前6次循環(huán)中電池的容量幾乎沒(méi)有衰降，容量保持在6.7mAh左右，但是從第7次開始后電池的容量開始出現(xiàn)了快速的衰降，第7次放電時(shí)電池的容量衰降到了5.7mAh，導(dǎo)致電池循環(huán)性能不佳的原因可能是電池中電解液數(shù)量較少，以及循環(huán)過(guò)程中電解液的分解。

雖然Li-空氣電池的理論能量密度可達(dá)3400mAh/g（僅考慮O2和Li負(fù)極的重量），但是要實(shí)現(xiàn)如此高的能量密度并不容易，JungO.Park通過(guò)優(yōu)化正負(fù)極等電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯著降低了非活性材料的占比，大幅提升了Li-空氣電池的能量密度，對(duì)推進(jìn)Li-空氣電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。