锂空气电池

锂空气电池（英文名： 锂 air 蓄电池 ），是一种以金属锂为负极、空气中的氧气为正极反应活性物质，将化学能转化为电能的二次化学电源。 其工作原理基于Li₂O₂的生成与分解，开路电压为2.91V。

1976年，Lockheed公司的研究人员提出了锂空气电池的概念。1996年，Abraham和Jiang首次提出了凝胶聚合 电解质 制备的非水系锂空气电池，真正推动了该电池研究领域的发展。 2008年，中国将锂空气电池研究列入国家重点研究计划资助项目。 2010年，Kumar等人首次研究出了固态可充电的锂空气电池。 2013年，中国科学院长春应化所科研团队成功将锂空气电池循环寿命从文献报道的最长100次提高至500次。 2017年，中国国家重点研发计划“新型纳米结构的高能量长寿命锂/钠复合空气电池”纳米专项立项，总体研究目标是开发新型锂/钠复合空气电池。 2022年，日本国家材料科学研究所和 软银集团 开发了一种可充电的锂空气电池，在室温下运行时，这种电池的能量密度为500Wh/kg。

依据 电解液 状态，锂空气电池分为水系、有机系、水-有机双液体系、全固态、离子液体体系和锂空气-超级电容电池。 该电池具有能量密度高、成本低、绿色环保等优点，同时具有可逆性差、催化剂成本高等缺点， 主要应用于新能源 电动汽车 、手机等小型设备的电源等。

发展历史

早期研究

1976年，Lockheed公司的研究人员提出了锂空气电池的概念，但当时是以碱性 水溶液 为 电解质 溶液，锂的高活泼性导致其会与水发生剧烈反应生成大量的 氢气 ，放出大量的热，从而产生安全问题并导致电池效率极低。到1996年，Abraham和Jiang首次提出了凝胶聚合电解质制备的非水系锂空气电池，真正推动了该电池研究领域的发展。但是由于电极上的反应产物难以溶于有机电解质而沉积在电极表面阻碍进一步反应，PolyPlus 蓄电池 公司将锂空气电池的电解质体系改进为有机-水混合体系，再次改善了锂空气电池的结构，推动了科研人员对该体系的进一步研究。

2008年，中国将锂空气电池研究列入国家重点研究计划资助项目。 2009年，IBM公司宣布与美国阿贡国家实验室合作共同开展“将锂空气电池应用于 电动汽车 ”的研发项目，从此掀起了锂空气电池基础研究的热潮。同年，日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长 周豪慎 和 日本学术振兴会 （JSPS）外籍特别研究员 王永刚 共同开发出了新构造的大容量锂空气电池作为高容量动力电池。 2010年，Kumar等人首次研究出了固态可充电的锂空气电池。

2012年，IBM公司再次宣布与 日本 Asahi Kasei公司和Central Glass公司合作共同开发“ 电池 500”项目，进一步拓展锂空气电池应用方面的研发。2013年，IBM公司与宝马汽车共同合作开发锂空气电池。从此，锂空气电池研究开启了继锂离子二次电池之后的“后锂离子二次电池充电技术”的新时代。 同年，在中国国家 中华人民共和国国家自然科学基金委员会 、科技部和中科院等的支持下，中国科学院长春应化所 张新波 研究员带领的科研团队通过抑制锂空气电池 电解液 分解，调控空气电极固—液—气三相界面以及优化锂—空二次电池体系与结构，成功将锂空气电池循环寿命从文献报道的最长100次大幅提高至500次。该团队基于对现有电解液分解机理的认识，首次将 亚砜 （DMSO）和砜（TMS）应用于锂空气二次电池中；首次提出了 石墨烯 一体化空气电极的概念；还首次设计和开发出可实用化、拥有自主知识产权的锂空气二次电池电池组。

2015年， 剑桥大学 研究团队攻克了锂空气电池开发中的部分实际问题——尤其是 化学 上的不稳定问题，开发出的锂空气电池模型蓄电能力约为3000Wh·kg⁻¹，可循环充放电上千次，首次循环充放电效率高达93%。 2017年，中国国家重点研发计划“新型纳米结构的高能量长寿命锂/钠复合空气电池”纳米专项由科技部立项。该项目总体研究目标是开发新型锂/钠复合空气电池，掌握纳米材料与结构在金属空气电池中的应用技术；拟研制5种以上关键纳米电极材料，研制出20Ah级 单体 电池以及100Ah级电池组，电池能量密度≥600Wh·kg⁻¹，并具有良好的循环寿命，为开发下一代高比能金属空气电池提供科学与技术支撑。

持续研究

2022年，日本国家材料科学研究所和 软银集团 的研究人员开发了一种可充电的锂空气电池。在室温下运行时，这种电池的能量密度为500Wh·kg⁻¹。 2023年6月， 中国科学技术大学工程科学学院 热科学和能源工程系特任教授 谈鹏 团队和 哈尔滨工业大学 朱星宝教授在国际著名期刊《Electrochemical Energy Reviews》发表了题为《Addressing Transport Issues in Non Aqueous Li–air Batteries》的综述论文。该工作系统地分析了非水系锂空气电池中多物种输运所面临的挑战，总结了空气组分、锂离子和中间态物质等的传输过程，阐明了固体放电产物形貌、分布与电化学性能的内在关联，并探讨了氧化还原介质应用和四电子转移可行性。在此基础上，提出了强化物质传输、加快反应 速率 和实现电池稳定运行的策略，为开发高性能锂空气电池提供了可靠的思路。

结构与工作原理

锂空气电池采用锂作为负极活性材料，采用多孔的气体扩散层电极作为正极材料。锂空气电池按 电解质 体系可以分为有机 电解液 体系、水性电解液体系、混合电解液体系和全固态电解质体系。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。综合考虑实用性和安全性，水系锂空气电池并非最终实际应用的首选。非水电解液体系的锂空气电池使用了含有可溶性锂盐的有机电解液，对于锂空气电池的研究大多是采用有机电解液体系。

锂空气电池工作原理基于Li₂O₂的生成与分解。在有机体系锂空气电池工作时，原料O₂通过多孔空气电极进入电池内部，在电极表面被 催化 成O₂⁻或者O₂²⁻，接着与 电解质 中的Li⁺（阳极的Li释放电子后成为Li⁺，Li⁺穿过电解质材料），以及从外电路流过来的电子结合，生成 过氧化锂 （Li₂O₂）或氧化锂（Li₂O），产物沉积在空气电极表面。当空气电极中所有的空气孔道都被产物堵塞后，电池放电终止。锂空气电池的开路电压为2.91V。

反应方程式

正极：

负极：

总反应：

分类

锂空气电池按使用的 电解液 的状态不同，主要可分成六类：水系锂空气电池、有机系锂空气电池、水-有机双液体系锂空气电池、全固态锂空气电池、离子液体体系锂空气电池和锂空气-超级电容电池，常见的类型介绍如下：

水系锂空气电池

水系 电解质 空气电池，其电解质是不同酸碱度的各种 水溶液 。在不同的酸性和碱性电解质中，电池发生的化学反应也不同。锂金属在水系电解质中腐蚀严重，自放电率特别高，使得电池循环性和库伦效率都非常低。

有机系锂空气电池

该体系采用 锂 片作为负极， 氧气 作为正极， 聚丙烯腈 （ pan ）基聚合物作为电解质（ 溶剂 PC、EC），开路电压（OCV）在3V左右，比能量（不计入电池外壳）为250~350Wh·kg⁻¹。这个数据当前来看比较高，但与锂单质的理论极限相比还是低太多。

水-有机双液体系锂空气电池

水-有机双液体系锂空气电池的基本形式中，负极金属锂处于有机 电解液 中，正极空气电极一侧电解液为 氢氧化钾 水溶液 ，中间以超级锂离子导通玻璃隔膜隔开。这种新构型锂空气电池的新颖之处在于不用担心有机体系中空气电极反应产物堵塞电极微孔的问题，水相中的 氧气 在空气电极上还原成可溶于水的 氢氧化锂 。

全固态锂空气电池

全固态锂空气电池中的 电解质 由三部分组成，最中间一层比例最大的是耐水性很好的玻璃陶瓷，靠近锂负极和氧气正极的分别是两个薄层的不同 有机高分子化合物 材质的物质。全固态锂空气电池不存在漏液问题，安全性有所提高，但固态电解质与锂负极、空气电极、包括固态电解质内部的接触，不会像液体电解质那样紧密，这就可能造成电池内阻增大。相对有机体系锂空气电池，该体系构造也较复杂。全固态空气电池具有稳定性好、循环性能好、不易形成锂枝晶等优点，但其低导电性、低容量和低能量密度限制了其发展。

特点

优点

能量密度高

相对于其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的能量密度。理论上，锂空气电池的能量密度可以达到5200Wh·kg⁻¹，在实际应用中， 氧气 来自外界环境，排除氧气后的能量密度高达11430Wh·kg⁻¹。锂空气电池比 锂离子电池 具有更高的能量密度，因为其以多孔碳为主的负极很轻，氧气从环境中获取而不用保存在电池里，这种电池的能量密度仅取决于锂电极。有的研究认为，锂空气电池比锂离子电池的能量密度大一个数量级甚至两个数量级。

成本低

正极活性物质采用空气中的氧气，不需要存储，也不需要购买成本，正极电极材料使用细微化碳，价格低廉。

绿色环保

锂空气电池不含铅、镉、汞等有毒物质，是一种环境友好型电池体系。

可反复充电

锂空气电池可以是二次电池，反复进行充放电。也可以是一次电池，没电时无需充电，只需更换正极的水性 电解液 ，通过卡盒等方式更换负极的 锂 就可以连续使用。如果从用过的水性电解液中回收空气极生成的 氢氧化锂 ，很容易重新生成金属锂，可作为燃料进行重复利用。

应用潜力大

锂空气电池技术极有望用于汽车电池，使汽车不依赖于充电站而能够长途行驶。在军事应用方面有很大潜力。若锂空气电池实现规模化商用，将对内燃机配套动力电池形成较强替代作用。

缺点

产物堵塞电极

固体生成物氢氧化锂会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而使放电电流受到影响，甚至停止放电。

可逆性差

锂空气电池反应产物中存在大比例不可逆成分。 二氧化碳 能和放电产物反应生成 碳酸锂 ，而碳酸锂的电化学可逆性非常差。这是各种技术路线都无法回避的问题，必须正面解决。

催化剂成本高

锂空气电池放电过程中氧化还原和充放电产物分解反应过程很难发生，需要催化剂协助。 催化 效果较好的金、铂等 贵金属催化剂 成本太高； 大环 也能发挥近似作用，但由于生产过程复杂，成本也不低。

易受环境影响

由于锂空气电池在敞开环境中工作，空气中的水蒸气以及二氧化碳等气体对锂空气电池危害极大。水蒸气渗透到负极腐蚀 锂 ，从而影响电池的放电容量、使用寿命，因此，需要研制 氧气 选择性好的膜来防止水蒸气的渗透以及 电解液 的挥发。

电极结构受限

正极材料形貌、孔径、 孔隙率 、比表面积等因素对锂空气电池能量密度、倍率性能以及循环性能都有很大影响。有机电解液系锂空气电池放电产物存在堵塞氧气扩散通道的风险，可能因此导致放电电流不足甚至结束。

溶剂 易被分解

电解液中有机溶剂稳定性问题。 碳酸酯 和醚等有机溶剂虽然具有较宽的电化学窗口，但是在有活性氧的条件下，很容易被氧化分解，反应生成 烷基锂 、 二氧化碳 和水等物质。有机溶剂的分解直接导致电池容量衰减以及循环寿命迅速下降。

电解质 待优化

发展高性能导电聚合物电解质来提高锂空气电池的倍率性能以及循环性能。电解质应具有更高的锂离子 电导率 、更好的阻氧能力、阻水能力以及宽的电化学窗口。

循环稳定性差

最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其容量水平。还需要详细研究充放电过程的 化学 问题，如产生了哪些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。

应用领域

锂空气电池作为极具发展潜力的新型化学能源，已受到各国科研人员的重视，并投入了一系列的技术来研究开发高性能的锂空气电池。根据各国的研究方向与应用发展，锂空气电池主要应用于以下几个方面。

新能源 电动汽车 的动力电源

要解决电动汽车续航里程短的问题，电池的能量密度要达到目前的6~7倍。理论上能量密度远远大于 锂离子电池 的锂空气电池便成为首选。日本 丰田汽车 、美国阿贡实验室、 巴思大学 等先进科研团队认为锂空气电池是最有前途的电池技术，并全部都在致力于锂空气电池的研究，希望能够实现其在电动汽车上的应用。日本国家材料科学研究所和 软银集团 的研究人员开发了一种可充电的锂空气电池，实验数据显示，在室温下运行时，这种电池的重量能量密度为500Wh·kg⁻¹，约为目前锂离子电池的两倍。可以说，就能量密度和循环次数而言，其表现非常卓越。如果这种新开发的能源应用于 电动汽车 上，当然能够明显提升续航里程。研究人员指出，尽管已有许多报告证明锂空气电池成功运行了超过100次循环，实现长时间充/放电，然而在实际的电芯层面上，估计其能量密度低于50Wh·kg⁻¹，相比之下，那些能量超过300Wh·kg⁻¹的锂空气电池，循环次数则少于20次。

手机等小型设备用电源

中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室离子导电能量转换材料与薄膜锂电池研究课题组围绕锂空气二次电池的实用化开展研究，取得了一系列进展。他们制作了容量为5Ah的软包锂空气电池，为小型用电设备稳定供电。如以电池放电前的质量计算，可获得大约400Wh·kg⁻¹的质量能量密度，如计入放电后产物的质量，该数值大约为340Wh·kg⁻¹。日本东芝、 苏格兰 圣安德鲁斯大学 的研究小组也正在致力于研究手机等小型设备的新型电池技术，将在未来几年实现小型电池的实用化，推动小型锂空气电池的普及。

发展趋势

截至2024年，锂空气电池的研究相对来说还处于初级阶段，未来对锂空气电池的开发主要围绕基础研究和应用研究来开展，包括开发高效的正极催化剂、稳定的 电解质 以及优化的锂金属负极，尤其组装的电池器件中各个组件间的协调配合水平以及实际应用性能等问题亟待解决。

2026年5月30日， 宁德时代 首席科学家、中国工程院院士 吴凯 在“2026装备强国论坛”上表示，电池技术持续多元化发展，锂空气电池具有超高的理论能量密度，是下一代电池具有竞争力的技术路线。