一種高能量密度電池 -- 鋰金屬電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，只有少數(shù)幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。2025年1月13日，國新辦新聞發(fā)布會(huì)上，海關(guān)總署相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2024年中國鋰電池出口39.1億個(gè)，創(chuàng)歷史新高。雖然石墨已被證明是迄今為止用于制作陰極的最好和最可靠物質(zhì)，但它容納的離子數(shù)量有限。研究人員一直希望用鋰金屬箔來取代石墨，它可以容納更多的離子，但通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)過熱，甚至導(dǎo)致燃燒。此前，來自麻省理工學(xué)院的另一家公司A123 Systems由于技術(shù)不成熟而宣布破產(chǎn)，這導(dǎo)致了投資者對(duì)于電池技術(shù)的疑慮。SolidEnergy接管了A123閑置的設(shè)施，隨后開始以具備商業(yè)可行性的方式自主制造電池。

鋰電芯(Lithium Cell)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的最基本電化學(xué)單位。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的?？沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

鋰電芯(Lithium Cell)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的最基本電化學(xué)單位。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的?？沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

鋰金屬電池作為一種高能量密度電池，以其在能源領(lǐng)域的潛力和優(yōu)勢(shì)備受矚目。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，鋰金屬電池采用鋰金屬作為負(fù)極材料，具有更高的儲(chǔ)能密度和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，是未來電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1.鋰金屬電池的原理

鋰金屬電池的基本結(jié)構(gòu)包括鋰金屬負(fù)極、正極材料(如氧化物)和電解質(zhì)。在充放電過程中，鋰金屬負(fù)極通過嵌入式化學(xué)反應(yīng)釋放或吸收鋰離子，在正極材料中發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。鋰金屬電池利用鋰金屬的高容量和低電位，具有較高的能量密度和儲(chǔ)能效率。

2.鋰金屬電池的特點(diǎn)

1. 高能量密度：相比傳統(tǒng)鋰離子電池，鋰金屬電池具有更高的能量密度，可以存儲(chǔ)更多的電能，提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程。

2. 長(zhǎng)循環(huán)壽命：鋰金屬電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在多次充放電循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

3. 快速充電：鋰金屬電池支持快速充電技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)完成充電，滿足用戶對(duì)快速充電的需求。

3.鋰金屬電池的應(yīng)用

1. 電動(dòng)汽車：鋰金屬電池被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命使得電動(dòng)汽車具有更高的續(xù)航里程和性能表現(xiàn)。

2. 便攜設(shè)備：在手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等便攜設(shè)備中也常采用鋰金屬電池，滿足用戶對(duì)長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間和輕便設(shè)計(jì)的需求。

3. 儲(chǔ)能系統(tǒng)：鋰金屬電池還被應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中，用于太陽能、風(fēng)能等可再生能源的儲(chǔ)能和供電。

4.鋰金屬電池的優(yōu)勢(shì)

1. 高能量密度：鋰金屬電池具有較高的能量密度，可以存儲(chǔ)更多的電能，提供長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航里程，適用于需要高能量密度的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 長(zhǎng)循環(huán)壽命：具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在多次充放電循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低更換成本。

3. 快速充電技術(shù)：支持快速充電技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成充電，提高用戶的充電效率和便利性。

4. 高功率輸出：鋰金屬電池具有較高的功率輸出能力，支持高功率應(yīng)用場(chǎng)景，滿足對(duì)高性能需求的用戶。

5. 輕量化設(shè)計(jì)：鋰金屬電池相對(duì)傳統(tǒng)電池更輕巧，有利于產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)，提高便攜設(shè)備的攜帶舒適性。

6. 環(huán)保性：相比較傳統(tǒng)燃料電池或鎳鎘電池，鋰金屬電池更加環(huán)保，減少了有害物質(zhì)的使用及排放，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

7. 高效能源轉(zhuǎn)換：鋰金屬電池具有高效的能源轉(zhuǎn)換效率，能夠?qū)?chǔ)存的電能有效地轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，提高能源利用效率。

8. 蓄電性能穩(wěn)定：具有穩(wěn)定的蓄電性能，不易受外部條件影響，保持在各種工作環(huán)境下的一致性，提高了其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

5.鋰金屬電池存在的挑戰(zhàn)

1. 安全性問題：鋰金屬電池在充放電過程中容易出現(xiàn)熱失控、短路等安全隱患，可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸，需要尋找有效的安全解決方案。

2. 鋰枝晶問題：充放電過程中，鋰金屬可能會(huì)形成枝晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)部短路及安全風(fēng)險(xiǎn)，需要解決這一問題以提高電池的穩(wěn)定性和安全性。

3. 循環(huán)穩(wěn)定性：長(zhǎng)期使用后，鋰金屬電池容易出現(xiàn)容量衰減、極化等問題，影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)循環(huán)壽命。

4. 成本高昂：目前生產(chǎn)鋰金屬電池的成本相對(duì)較高，包括原材料、制造工藝等方面，使得其在商業(yè)應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)力受到影響。

5. 快速充電技術(shù)：雖然鋰金屬電池支持快速充電技術(shù)，但仍需進(jìn)一步提升充電效率和功率輸出，縮短充電時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。

6. 環(huán)境友好性：鋰金屬電池在生產(chǎn)和處理過程中可能對(duì)環(huán)境造成一定影響，需要關(guān)注其環(huán)境友好性，并尋找更加可持續(xù)的生產(chǎn)和回收方式。

7. 電解質(zhì)穩(wěn)定性：電解質(zhì)的穩(wěn)定性對(duì)于鋰金屬電池的性能至關(guān)重要，需要提高電解質(zhì)的穩(wěn)定性，以確保電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

8. 溫度控制問題：鋰金屬電池對(duì)溫度較為敏感，過高或過低的溫度會(huì)影響電池性能和安全性，需要有效的溫度控制機(jī)制。

9. 負(fù)極固液界面問題：固液界面問題是影響鋰金屬電池循環(huán)壽命和性能的關(guān)鍵因素，需要解決固液界面的穩(wěn)定性問題，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

10. 制造工藝復(fù)雜性：鋰金屬電池的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，需要高精密度設(shè)備和嚴(yán)格的操作流程，制約了其大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2

鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為

6C+XLi++Xe- = LixC6

充電電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

正極

正極材料：可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：

LiCoO2 3.7 V 140 mAh/g

Li2Mn2O4 4.0 V 100 mAh/g

LiFePO4 3.3 V 100 mAh/g

Li2FePO4F 3.6 V 115 mAh/g

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí)：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放電時(shí)：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4

負(fù)極

負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。 充電時(shí)：xLi+ + xe- + 6C → LixC6放電時(shí)：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

最早期應(yīng)用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得植入人體的起搏器能夠長(zhǎng)期運(yùn)作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用于計(jì)算器，數(shù)碼相機(jī)、手表中。

為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種，人們對(duì)各種材料進(jìn)行了研究，從而制造出前所未有的產(chǎn)品。

1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本、計(jì)算器等攜帶型電子設(shè)備的重量和體積大大減小。

預(yù)計(jì)到2013 年全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到278.1 億美元，2015 年，新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將帶動(dòng)全球鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到523.2 億美元。

就中國市場(chǎng)而言，得益于動(dòng)力鋰離子電池的快速發(fā)展，2013 年鋰離子電池整體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到741.7 億元，同比增長(zhǎng)33.2%，并且未來三年市場(chǎng)規(guī)模增速均會(huì)保持在30%以上，到2015 年，整個(gè)中國鋰離子電池的市場(chǎng)規(guī)模將突破1000 億元，達(dá)到1251.5 億元。