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的開發，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注。雖然Li-空氣電池的理論能量密度很高，但是要實現這樣的能量密度并不容易，空氣電極、電解液、負極保護層和空氣擴散層等結構都會顯著的增加電池的重量，導致Li-空氣電池的能量密度的降低，因此Li-空氣電池的結構設計也同樣值得我們深入的研究。

空氣電極

Li-空氣電池的基本結構如下圖所示【2】，主要包含Li金屬負極，電解液，保護層，多孔結構的空氣電極，以及空氣擴散層等部分。對于多孔結構空氣電極而言，碳材料的選擇至關重要，由于Li-空氣電池中正極的反應產物Li2O2會在空氣電極的微孔內部堆積，因此空氣電極比表面積和孔結構對于空氣電極的性能具有重要的影響，相關研究表明微孔尺寸在80nm時，空氣電極的比容量可達7169mAh/gcarbon，大小孔混合結構還能夠將正極的容量進一步提升至19800mAh/gcarbon-37523mAh/gcarbon，因而科琴黑、碳納米管等由于良好的導電性和大的比表面積、以及合適的孔結構的碳材料能夠為空氣電極提供良好的電化學性能。

電解液

電解液主要負責在正負極之間傳導Li+，需要同時與強還原性的負極和強氧化性的正極接觸，因此電解液的穩定性就變的至關重要，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-空氣電池中展現出了非常好的穩定性。

負極保護層

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

空氣擴散層等

此外為了給電池供應充足的O2，Li-空氣電池還需要進氣管，空氣擴散層和用來保護金屬Li的密封結構，這些都會增加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-空氣電池的結構設計就成了實現高能量密度的關鍵。

近日韓國三星公司旗下的尖端技術研究院的JungO.Park等人設計了一款容量為500mAh的Li-空氣電池【1】，其比能量最高可達1230Wh/kg，體積能量密度最高可達880Wh/L，下面我們就以該電池為例為大家詳細介紹如何設計一款高能量密度的Li-空氣電池，下圖為JungO.Park設計的高能量密度Li-空氣電池的結構，電池各個部分的制備方法如下：

正極

正極采用碳納米管（CNTs）、電解液、粘結劑和溶劑（質量比為1:2:0.2:1.5）混合制成，其中電解液為LiTFSI的EMI-TFSI溶液，PTFE作為粘結劑，以丙二醇作為溶劑，然后經過混合、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、電解液和粘結劑的比例為1:2:0.2。

電解液層

在該電池結構設計中保護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，然后復合在CE層的電解液一側。然后Li/CE復合層還需要采用機器進行折疊，并在對折的兩層正極之間放入空氣擴散層（GDL，厚度50um），最終完成的電池結構如下圖所示。

下圖a為一個折疊10層的Li-空氣電池的結構，其尺寸為7cm×1cm×0.23cm，活性面積達到140cm2，由于采用折疊結構大幅降低了電池密封結構、氣體擴散層和進氣導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，放電電壓平臺在2.6V左右，電池的重量能量密度可達560Wh/kg，體積能量密度可達800Wh/L。實際上由于金屬Li良好的導電性，因此即便不采用銅箔也仍然能夠獲得非常好的電化學性能，同時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，計算顯示如果僅采用30um的Li箔，電池的能量密度可達1230Wh/kg，體積能量密度能夠達到880Wh/L，如果能夠將Li箔的厚度僅一步降低到17um則能夠將電池的能量密度能夠進一步提高到1360Wh/kg，體積能量密度達到1000Wh/L。但是我們需要注意的是作者在計算電池能量密度時并未考慮封裝結構、進氣導管等結構的重量，因此電池的實際能量密度并不能達到上述計算的能量密度。

盡管Li-空氣電池具有遠高于鋰離子電池的能量密度，但是循環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次循環中電池的容量幾乎沒有衰降，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了快速的衰降，第7次放電時電池的容量衰降到了5.7mAh，導致電池循環性能不佳的原因可能是電池中電解液數量較少，以及循環過程中電解液的分解。

雖然Li-空氣電池的理論能量密度可達3400mAh/g（僅考慮O2和Li負極的重量），但是要實現如此高的能量密度并不容易，JungO.Park通過優化正負極等電池結構的設計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，對推進Li-空氣電池的實際應用具有重要的意義。