學術干貨 | 一文通覽—金屬離子二次電池家族

在保衛綠色家園的前線上，一定少不了電池家族的身影。因其靈敏迅速、安全高效的特質，在便攜類電子、交通工具、國防軍事等方面得到了較大的發展。本期我們來聊一聊金屬離子二次電池家族的成員們，它們分別是：鋰離子電池、鈉離子電池、鋁離子電池、鎂離子電池、鐵離子電池、鋅離子電池，一起來交個朋友吧。

一、鋰離子電池

鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間來回移動來工作。在充放電過程中，Li^＋在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li^＋從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為正極材料，是現代高性能電池的代表。

圖1 鋰離子電池工作原理

以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池為例，來認識它的電極反應：

圖2 鋰離子電池充放電反應式

鋰離子電池的種類：【據電解質材料不同】分為液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。鋰離子電池以其正極材料命名，根據正極材料的不同，鋰離子電池包括更多的類型，在此不一一列舉。下面以磷酸鐵鋰電池為例：
優點：
A. 超長壽命，鋰離子電池的循環壽命可以達到兩千次以上、使用壽命可以達到7~8年，遠高于長壽命的鉛酸二次電池。
B. 快速充電，1C充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上，磷酸鐵鋰電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。
C. 耐高溫，錳酸鋰和鈷酸鋰電池的電熱峰值可達200℃左右，而磷酸鐵鋰達到了350℃—500℃。
D. 工作電壓高，單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。
E. 無記憶效應，可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。鋰離子電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。
F. 體積比能量、質量比能量高，能達到的實際質量比能量為555Wh/kg左右，即材料能達到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。
G. 自放電小，室溫下充滿電的鋰離子電池儲存1個月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。
H. 工作溫度范圍寬,工作溫度約在-25～+45℃，隨著電解質和正極材料的改進，尚可拓到-40～70℃。
I. ?沒有環境污染，綠色環保電池的佼佼者，而殘留容量的測試又比較方便，無需維修。
缺點：
A. 衰老，與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數無關，而與溫度有關。可能的機制是內阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產品更容易體現。
B. 不耐受過度充電、過度放電和大電流放電，因此需要保護電路、排氣孔等多重保護機制。
C. 電池成本較高。主要表現在LiCoO2的價格高（Co的資源較少），電解質體系提純困難。

圖3 常用的充電寶一般為鋰離子電池組裝而成

二、鈉離子電池

鈉離子電池實際上是一種濃差電池，正負極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。充電時，Na^＋從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鈉態，正極處于貧鈉態，同時電子的補償電荷經外電路供給到正極，保證正負極電荷平衡。放電時則相反，Na^＋從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鈉態。

?圖4 鈉離子電池工作原理

以鈉硫電池為例，來認識它的電極反應：

圖5 鈉硫電池充放電反應式

優點：
A.原料資源豐富，成本低廉，分布廣泛；
B.有相對穩定的電化學性能，使用更加安全；
C.能利用分解電勢更低的電解質溶劑及電解質鹽，電解質的選擇范圍更寬。
缺點：
A.不可逆容量損失較大；
B.大電流充放電時的性能不夠理想；
C.儲能容量偏低；
D.容量保持率低。

圖6 鈉離子電池

三、鋁離子電池

鋁離子電池的反應原理和鋰離子電池類似，它包含一個由鋁制成的帶負電陽極和一個帶正電石墨陰極，由于三維石墨優良的導電性能和巨大的比表面積，能夠極大的縮短電池的充電時間。鋁離子電池的電極反應如下：

圖7 鋁離子電池工作原理及充放電反應式

優點：
A.高效耐用；
B.可快速充電；
C.可燃性低；
D.安全，能夠折疊；
E.材料成本低。
缺點：
A.容易被腐蝕；
B.不能有效的進行放電。

圖8 鋁離子電池

四、鎂離子電池

鎂離子電池的工作原理與鋰離子電池的工作原理十分相近，即分別用兩個能可逆的嵌入和脫嵌鎂離子的化合物作為電池的正負極構成的二次電池。當電池充電時，鎂離子從正極脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入到負極中；放電時則相反。

圖9 鎂離子電池工作原理

以五氧化二釩為正極材料的鎂離子電池為例，來認識它的電極反應：

圖10 鎂離子電池充放電反應式

優點：
A.Mg蘊藏豐富，價格低廉，海水和土壤中含有豐富的氯化鎂和氧化鎂，提煉方便，節能；
B.Mg安全無污染且加工處理比鋰方便；Mg的化合物無毒或者低毒，可循環性能好，具有生物和環境友好性；
C.電極電位較低，能量密度高；
D.循環壽命性能好，（-20~80℃條件下）循環2000次后容量僅損失15%；
E.安全性能高，熔點高達649℃。
缺點：
A.開路電壓較低；
B.極化較高；
C.沒有足夠的穩定性。

圖11 鎂離子電池

五、鐵離子電池

目前國內外研究的鐵電池有高鐵和鋰鐵兩種，在這里，我們重點介紹鋰鐵電池中應用較為廣泛的磷酸鐵鋰電池。它的正極是含金屬鋰的化合物，一般為鋰鐵磷酸鹽(如磷酸鐵鋰 LiFePO4 、磷酸鈷鋰 LiCoO2 等)，負極是石墨或炭(一般多用石墨)，正負極之間使用有機溶劑作為電解質。在對電池進行充電時，正極上分解生成鋰離子，鋰離子通過電解質進入電池負極，嵌入負極碳層的微孔中。在電池的使用過程中(相當于放電)，嵌在負極微孔中的鋰離子又運動回正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量就越高，我們平時所指的電池容量就是放電容量。

圖12 磷酸鐵鋰電池工作原理

磷酸鐵鋰電池的的電極反應為：

圖13 磷酸鐵鋰電池充放電反應式

高鐵電池的電極反應為：

圖14 高鐵電池充放電反應式

優點：
A.安全無污染，壽命較長；
B.高溫性能好，具有較大的容量；
C.沒有記憶效應，重量輕。
缺點：
A.低溫性能差；
B.正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢。
而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題；
C.制備電池的成本較高；
D.電池一致性差。

圖15 磷酸鐵鋰電池

六、鋅離子電池

鋅離子電池的工作原理與鋰離子電池的工作原理十分相近，即分別用兩個能可逆的嵌入和脫嵌鋅離子的化合物作為電池的正負極構成的二次電池。它由正極、負極和介于兩者之間的隔離膜以及含有陰陽離子并具有離子導電性的電解質組成，其中，負極采用以鋅元素為主的活性材料，正極活性材料為可吸附和釋放鋅離子的錳的氧化物材料。

圖16 鋅離子電池工作原理

以 α-MnO2為正極材料的鋅離子電池為例，來認識它的電極反應：

圖17 鋅離子電池充放電反應式

優點：
A.能夠實現快速充放電，具有高功率密度、高能量密度；
B.制備工藝簡單，電池材料無毒廉價，放電過程高效安全；
C.循環性能好，安全環保；
D.成本較低。
缺點：
A.容量衰減較快；
B.容易易出現“脹氣”等問題。

圖18 鋅離子電池

總的來講，金屬離子二次電池家族電池們的原理相似又不相同，每一款電池都是材料和科學的靈感碰撞。“刪繁就簡三秋樹，領異標新二月花”，求知路上，你我同行。

本文由材料人編輯部學術干貨組 Ahenn 供稿，材料牛編輯整理。

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