(1)  “高能量”與“高危險”的統(tǒng)一屬性

“高能量”與“高危險”幾乎是并存的，越高能量的失控就會導(dǎo)致更大的災(zāi)難。地球人能夠掌握的最高能量莫過于核能。一個核反應(yīng)堆可持續(xù)驅(qū)動一艘航母20年而不需補(bǔ)充燃料，但一顆核彈的爆炸及輻射就足可以摧毀一座城市及其里面的生物。由于核能能量太高且具有輻射性，其應(yīng)用主要存在于軍事領(lǐng)域和發(fā)電。

對于電池而言，比容量相同前提下，電壓高(正極越正，負(fù)極越負(fù))則能量高，因此元素周期表中電位最負(fù)的堿金屬成為了電池負(fù)極的選擇。雖然其能量與核能不能相提并論，但其仍然會造成很大的危險。電位負(fù)意味著堿金屬極易失去電子，與氧氣和水等發(fā)生劇烈反應(yīng)，燃燒甚至爆炸。

(2) 堿金屬電池定義

考慮到地殼儲量 (決定成本) 與原子質(zhì)量 (決定比容量)，堿金屬中只有鋰、鈉、鉀具有考慮價值。因此，堿金屬電池一般指電池負(fù)極為金屬鋰、鈉、鉀、及其合金的電池。根據(jù)可否循環(huán)充放分為一次電池和二次電池。

(3) 堿金屬一次電池(只能放電)已普遍使用

雖然危險，但堿金屬電池已經(jīng)普遍存在我們?nèi)粘Ｉ�活中，一般為鋰金屬一次電池，舉例如下：

(a)相機(jī)閃光燈所用的圓柱狀 AA 鋰電池，其拆開后可以看到大量的的鋰箔，放入水中劇烈反應(yīng)。

(b) 心臟起搏器所搭配的“鋰-碘”一次性電池，此電池可以在人體內(nèi)持續(xù)供電幾年至 15 年以上，從而免于反復(fù)手術(shù)更換電池。

鋰金屬一次電池是一個龐大的家族， 根據(jù)正極和電解液不同的特性應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，這里不再一一列舉。以上兩個例子說明堿金屬一次性電池在良好的密閉條件下，不與外界接觸可以確保是安全的，甚至可以嵌入體內(nèi)。

(4) 堿金屬二次電池困難重重 (充電過程中枝晶的產(chǎn)生)

電池使用一次就扔掉不僅造成使用成本很高，對環(huán)境也造成很大的污染，如果電池放電后可以充電后再次利用，那么成本就會極大的降低也更加環(huán)保。但目前堿金屬二次電池卻鮮有商業(yè)化。這是因?yàn)樵诔潆娺^程中，堿金屬的不均勻沉積生成枝晶會刺穿隔膜而造成正負(fù)極短路，瞬間釋放熱量，引發(fā)電池著火和爆炸。如下圖。

根據(jù)堿金屬一次電池的普及和二次電池的困難可以看到，堿金屬電池在放電時是安全的，充電是需要重點(diǎn)解決的問題。

(5) 堿金屬二次電池的幸存者：高溫液態(tài)“鈉硫電池”

堿金屬二次電池商業(yè)化進(jìn)程中唯一一個幸存者就是鈉硫高溫電池。高溫狀態(tài)下，負(fù)極金屬鈉為熔融液態(tài)，因此避免了枝晶的生成，可以安全充電。但由于此電池需要保持 300 度高溫且固態(tài)電解質(zhì)有破損裂縫而正負(fù)極短路的潛在危險，它一般僅用于在荒無人煙的地方配合發(fā)電廠做大型儲能。這種電池現(xiàn)在已設(shè)計成遠(yuǎn)程遙控，基本不需人力維護(hù)。

(6) 堿金屬二次電池的折中方案：鋰離子電池

鋰金屬負(fù)極的技術(shù)障礙至今沒有解決，但得益于 John B. Goodenough 博士課題組一系列含鋰正極 (LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4) 的發(fā)明，鋰金屬可以不需要作為鋰源，而被石墨所取代。充電時，鋰離子從正極脫出，移動到負(fù)極，得電子并嵌入到石墨層狀結(jié)構(gòu)中而不形成枝晶，這很大程度上克服了低電流密度下枝晶的問題 (見下圖)。由于此種電池中不含鋰金屬，而是借助鋰離子在正負(fù)極來回嵌入脫出實(shí)現(xiàn)充放電，因此又稱“鋰離子電池”，它的誕生引發(fā)了無線移動電子技術(shù)的革命性發(fā)展，徹底的改變了我們的生活方式。但石墨的采用也付出了能量密度降低的代價，而且，在大電流密度下，石墨也有形成枝晶的危險，鋰離子快速的嵌入石墨層中，會造成鋰金屬在石墨層狀通道口的“擁堵”，因而在石墨表面形成枝晶。

(7) 充電完畢后的石墨與鋰金屬，誰更安全?

由于“鋰離子電池”使用石墨作為負(fù)極，“鋰金屬電池”使用金屬鋰做負(fù)極，第一感覺就是肯定鋰離子電池安全。但這樣比較是不公平的，石墨是處于放電狀態(tài)(尚未嵌鋰，低能狀態(tài))，而鋰金屬是處于充電狀態(tài)(高能狀態(tài))。

鋰離子電池使用石墨作為負(fù)極進(jìn)行組裝，此時電池處于放電狀態(tài)，能量最低，因此安全，一旦電池組裝并充滿電后，鋰離子由正極移動到負(fù)極并得電子，以幾乎“鋰原子”的狀態(tài)嵌入石墨中，形成 LiC6，此時為充電狀態(tài)，應(yīng)該比較LiC6和金屬鋰。

如果把充電后的石墨 (LiC6) 從電池中取出，揮發(fā)掉電解液，在空氣中抖一抖，就會著火，而金屬鋰在不遇水的情況下，在空氣中只會氧化，反而不會起火。

石墨之所以被選擇作為負(fù)極，不是因?yàn)?LiC6 本身安全，而使因?yàn)槭�墨的層狀結(jié)構(gòu)可以防止鋰枝晶的生成。如果金屬枝晶問題能夠自身解決(比如液態(tài)鈉硫電池)，石墨是完全沒有必要的 。但目前尚無解決鋰枝晶方法。

(8) 堿金屬二次電池研究還在繼續(xù)

鋰離子電池的能量密度基本滿足了小型電子器件的能源需求，但對于大型能源，其能量密度還是不足，且成本過高。為了進(jìn)一步提高能量密度，堿金屬負(fù)極還是需要進(jìn)一步研究。

相比于鈉和鉀，鋰元素儲量相對很低，價格高，因此適合做成對成本不太敏感的小型移動能源電池，如手機(jī)，相機(jī)，筆記本電腦，甚至電動汽車。

由于鈉鉀儲量高成本低，因此適合對體積和質(zhì)量不太敏感但對成本更為敏感的大型儲能，如電動巴士，與風(fēng)能太陽能配套的靜態(tài)儲能等。

(9) 一個工程學(xué)問題：電池中的堿金屬否可以保證不泄露

對于堿金屬電池的研究，人們的第一感覺就是電池一旦泄露，堿金屬就會造成起火和爆炸。設(shè)想一個情景：兩輛堿金屬電池電動汽車在雨天相撞，電池破損，堿金屬暴露，遇到水和空氣發(fā)生爆炸。這種情況會不會發(fā)生?概率會有多大?

在此假設(shè)情境下，以上所列的現(xiàn)有商業(yè)化的技術(shù)都是不安全的。但其成功的使用說明：現(xiàn)在的電池密封和管理技術(shù)已經(jīng)可以保證電池泄露是小概率事件。比如 Tesla Model S 電動汽車電池組由 7104 個 18650 電池組成(如下圖)，而不是一整個“大電池”， 對每一個小電池的監(jiān)控使得安全隱患可以被發(fā)現(xiàn)在初始單個小電池階段，從而保證整個電池組的安全。在電池完全密封不會泄露的前提下，堿金屬電池的研究只需要確保電池在充電過程中內(nèi)部不會短路即可。

(10) 堿金屬電池的危與機(jī)

人類歷史巨大的進(jìn)步大多是都是得益于掌握了一些高能但也高危的物質(zhì)，比如“火”，“電”，“炸藥”等等。它們都有著巨大的破壞力，但當(dāng)人類學(xué)會控制了它們以后，人類的生活才得到了巨大的改善。說到這里，好像對堿金屬電池太拔高了，這里只是想說明一個態(tài)度。堿金屬很危險，但有希望做到可控，一旦其充電技術(shù)瓶頸得以解決，其定會為新能源時代的到來提供強(qiáng)大的動力。