周浩申（组长）、米乐m6官方网站（AIST）能源技术研究所（所长：长谷川康雄）（所长：吉川博之）和王永刚（日本学术振兴会（JSPS）博士后研究员）开发了一种基于新结构的新型大容量锂空气电池。

锂离子电池广泛应用于手机、电脑等电子设备中，但其能量密度仍不足以用于电动汽车。锂空气电池很有吸引力，因为理论上它们在未来大容量电池的潜力方面具有优势。然而，迄今为止报道的锂空气电池的严重问题之一是固体反应产物（Li₂O 或 Li₂O₂)不溶于有机电解质，在放电过程中会堵塞空气电极（=阴极）。如果空气电极完全堵塞，O₂大气中的物质无法再减少。

在这项研究中，阳极（金属锂）侧使用有机电解质，阴极（空气）侧使用水性电解质。两种电解质被固态电解质（锂超离子导体玻璃膜=LISICON）隔开，因此两种电解液不会混合。只有锂离子通过固体电解质，电池反应顺利进行。在阴极，放电过程中的反应产物是水溶性的，不产生固体物质。经实验证实可连续放电50,000 mAh/g（每单位质量的碳、催化剂和粘合剂）。

这项技术在汽车电池方面具有巨大的潜力。在加油站，如此配备的车辆的驾驶员可以将水性电解液更换为空气电极，并以盒的形式重新填充金属锂作为阳极，然后继续行驶，而无需等待电池充电。很容易从水性电解质中回收金属锂，从而可以重复使用锂。这确实是一种新型锂燃料电池。

研究结果将于 2009 年 3 月 31 日在京都举行的日本电化学会会议上公布。

左：新开发的锂空气电池的配置 右：正极放电能力与传统锂离子电池的比较。 每 1 克正极 mAh 根据空气电极质量=（多孔碳+催化剂+粘合剂）和锂离子电池正极质量=（活性材料+导电辅助碳+粘合剂）计算

由于化石燃料的消耗导致二氧化碳排放量的增加，以及石油价格的剧烈变化，汽车能源从汽油或轻油向电能的转变正在引起人们的关注。由于锂离子电池的性能，电动汽车存在局限性。锂离子电池的能量密度较低，使得电动汽车的长距离行驶现在变得困难。

要普及电动汽车，我们需要比当前锂离子电池高六到七倍的能量密度。锂空气电池在这方面很有吸引力，因为与锂离子电池相比，它们具有很大的能量密度。在锂空气电池中，我们可以使用电池中不包含的空气中的氧气作为阴极的活性材料。正极的容量理论上是无限大的，可以实现大容量。

针对高性能锂离子电池，AIST能源技术研究所证明纳米结构电极材料可提供锂离子电池的高倍率性能（AIST新闻稿一月2005 年 18 日)。锂空气电池也得到了积极开发，以实现更大的能量密度。

	传统锂空气电池的问题： 1)  固体反应产物(Li2O) 积聚在阴极。它会堵塞毛孔，干扰分泌物。 2)  如果空气中的水分与金属锂发生反应，会产生危险的氢气。 3)  如果空气中的氮气与金属锂发生反应，放电会受到干扰。
图。 1 传统锂空气（氧）电池示意图。

为了克服传统锂空气电池的问题，AIST 一直在开发新型锂空气电池，该电池在阳极侧使用有机电解质和金属锂，在阴极侧使用空气和水性电解质，并使用固体电解质 LISICON 作为分隔它们的隔壁。

这项研究得到了 JSPS 科学研究资助计划的部分支持。

这项研究基于仅在阳极侧使用有机电解质，并在阴极侧使用水性电解质的想法。如果两侧被仅允许锂离子通过的固体电解质隔开，则两种电解液不会彼此混合，同时充放电反应顺利进行。在该系统中，已证实放电反应产物不是像氧化锂（Li₂O)，而是溶解在水性电解质中的氢氧化锂(LiOH)，因此碳阴极不会发生孔堵塞。此外，由于水和氮气不会穿过固体电解质（隔壁），因此不会与金属锂阳极发生不需要的反应。在充电过程中，通过使用另一个专门用于充电的阴极来防止空气电极的腐蚀和降解。

图。 2 新型锂空气电池的配置：左，放电；对了，正在充电

阳极采用金属锂，阳极侧采用含有锂盐的有机电解质。锂离子固体电解质放置在两种电解液之间，作为分隔阴极侧和阳极侧的隔壁。阴极侧使用碱性水溶性凝胶作为水性电解质，碳阴极由多孔且廉价的氧化物催化剂组成。

放电反应进行如下：
1) 阳极反应：Li → Li⁺+ e^-锂离子以锂离子(Li⁺)并且电子被馈送到导线中。溶解的锂离子 (Li⁺)穿过固体电解质进入阴极侧的水性电解质。 2）阴极反应：O₂+2H₂O+4e^-→ 4OH^-电子由导线供给，空气中的氧气与多孔碳中的催化剂表面发生还原反应，产生氢氧根离子(OH^-)。它们与锂离子 (Li⁺)在水性电解质中并生成水溶性氢氧化锂(LiOH)。
充电反应进行如下：
1) 阳极反应：Li⁺+ e^-→ Li 从导线供给电子，锂离子 (Li⁺)穿过固体电解质并到达阳极表面，在那里析出金属锂。 2) 阴极反应：4OH^-→ O₂+2H₂O+4e^-
产生氧气。产生的电子被馈送到导线。

新开发的碱性水性电解质凝胶锂空气电池，在空气中以01A/g的放电倍率放电时，放电容量约为9000mAh/g。充电容量约为9600mAh/g。这些值远大于传统锂空气电池的报告值（700 - 3000 mAh/g）。此外，通过使用碱性水溶液代替碱性水溶性凝胶，在空气中以01A/g的放电率实现了长达20天的连续放电。电池的放电容量约为50,000 mAh/g（如图3所示）。

图。 3 新开发的锂空气电池的长期放电曲线

新型锂空气电池如果更换阴极侧的水性电解质并通过盒等方式将金属锂重新供应到阳极，则可以连续运行。这个概念可以视为一种新型燃料电池，称为“锂燃料电池”。通过从空气电极中的水性电解质中回收LiOH，可以轻松回收金属锂并重新用作燃料。图 4 显示了这种新型锂燃料电池的概念，其中锂被循环使用。

图。 4 循环使用锂的金属锂燃料电池的概念

AIST新开发的锂空气电池需要进一步的技术改进才能实用。一般来说，这种新型锂空气电池的研究有两个方向，一个是可充电锂空气电池，另一个是锂燃料电池。