学术干货 | 一文通览—金属离子二次电池家族

在保卫绿色家园的前线上，一定少不了电池家族的身影。因其灵敏迅速、安全高效的特质，在便携类电子、交通工具、国防军事等方面得到了较大的发展。本期我们来聊一聊金属离子二次电池家族的成员们，它们分别是：锂离子电池、钠离子电池、铝离子电池、镁离子电池、铁离子电池、锌离子电池，一起来交个朋友吧。

一、锂离子电池

锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间来回移动来工作。在充放电过程中，Li^＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li^＋从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为正极材料，是现代高性能电池的代表。

图1 锂离子电池工作原理

以钴酸锂为正极材料的锂离子电池为例，来认识它的电极反应：

图2 锂离子电池充放电反应式

锂离子电池的种类：【据电解质材料不同】分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。锂离子电池以其正极材料命名，根据正极材料的不同，锂离子电池包括更多的类型，在此不一一列举。下面以磷酸铁锂电池为例：
优点：
A. 超长寿命，锂离子电池的循环寿命可以达到两千次以上、使用寿命可以达到7~8年，远高于长寿命的铅酸二次电池。
B. 快速充电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷酸铁锂电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
C. 耐高温，锰酸锂和钴酸锂电池的电热峰值可达200℃左右，而磷酸铁锂达到了350℃—500℃。
D. 工作电压高，单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。
E. 无记忆效应，可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。
F. 体积比能量、质量比能量高，能达到的实际质量比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。
G. 自放电小，室温下充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。
H. 工作温度范围宽,工作温度约在-25～+45℃，随着电解质和正极材料的改进，尚可拓到-40～70℃。
I.  没有环境污染，绿色环保电池的佼佼者，而残留容量的测试又比较方便，无需维修。
缺点：
A. 衰老，与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。
B. 不耐受过度充电、过度放电和大电流放电，因此需要保护电路、排气孔等多重保护机制。
C. 电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较少），电解质体系提纯困难。

图3 常用的充电宝一般为锂离子电池组装而成

二、钠离子电池

钠离子电池实际上是一种浓差电池，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na^＋从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到正极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na^＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富钠态。

 图4 钠离子电池工作原理

以钠硫电池为例，来认识它的电极反应：

图5 钠硫电池充放电反应式

优点：
A.原料资源丰富，成本低廉，分布广泛；
B.有相对稳定的电化学性能，使用更加安全；
C.能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽。
缺点：
A.不可逆容量损失较大；
B.大电流充放电时的性能不够理想；
C.储能容量偏低；
D.容量保持率低。

图6 钠离子电池

三、铝离子电池

铝离子电池的反应原理和锂离子电池类似，它包含一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极，由于三维石墨优良的导电性能和巨大的比表面积，能够极大的缩短电池的充电时间。铝离子电池的电极反应如下：

图7 铝离子电池工作原理及充放电反应式

优点：
A.高效耐用；
B.可快速充电；
C.可燃性低；
D.安全，能够折叠；
E.材料成本低。
缺点：
A.容易被腐蚀；
B.不能有效的进行放电。

图8 铝离子电池

四、镁离子电池

镁离子电池的工作原理与锂离子电池的工作原理十分相近，即分别用两个能可逆的嵌入和脱嵌镁离子的化合物作为电池的正负极构成的二次电池。当电池充电时，镁离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；放电时则相反。

图9 镁离子电池工作原理

以五氧化二钒为正极材料的镁离子电池为例，来认识它的电极反应：

图10 镁离子电池充放电反应式

优点：
A.Mg蕴藏丰富，价格低廉，海水和土壤中含有丰富的氯化镁和氧化镁，提炼方便，节能；
B.Mg安全无污染且加工处理比锂方便；Mg的化合物无毒或者低毒，可循环性能好，具有生物和环境友好性；
C.电极电位较低，能量密度高；
D.循环寿命性能好，（-20~80℃条件下）循环2000次后容量仅损失15%；
E.安全性能高，熔点高达649℃。
缺点：
A.开路电压较低；
B.极化较高；
C.没有足够的稳定性。

图11 镁离子电池

五、铁离子电池

目前国内外研究的铁电池有高铁和锂铁两种，在这里，我们重点介绍锂铁电池中应用较为广泛的磷酸铁锂电池。它的正极是含金属锂的化合物，一般为锂铁磷酸盐(如磷酸铁锂 LiFePO4 、磷酸钴锂 LiCoO2 等)，负极是石墨或炭(一般多用石墨)，正负极之间使用有机溶剂作为电解质。在对电池进行充电时，正极上分解生成锂离子，锂离子通过电解质进入电池负极，嵌入负极碳层的微孔中。在电池的使用过程中(相当于放电)，嵌在负极微孔中的锂离子又运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量就越高，我们平时所指的电池容量就是放电容量。

图12 磷酸铁锂电池工作原理

磷酸铁锂电池的的电极反应为：

图13 磷酸铁锂电池充放电反应式

高铁电池的电极反应为：

图14 高铁电池充放电反应式

优点：
A.安全无污染，寿命较长；
B.高温性能好，具有较大的容量；
C.没有记忆效应，重量轻。
缺点：
A.低温性能差；
B.正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。
而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面对电池一致性问题；
C.制备电池的成本较高；
D.电池一致性差。

图15 磷酸铁锂电池

六、锌离子电池

锌离子电池的工作原理与锂离子电池的工作原理十分相近，即分别用两个能可逆的嵌入和脱嵌锌离子的化合物作为电池的正负极构成的二次电池。它由正极、负极和介于两者之间的隔离膜以及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其中，负极采用以锌元素为主的活性材料，正极活性材料为可吸附和释放锌离子的锰的氧化物材料。

图16 锌离子电池工作原理

以 α-MnO2为正极材料的锌离子电池为例，来认识它的电极反应：

图17 锌离子电池充放电反应式

优点：
A.能够实现快速充放电，具有高功率密度、高能量密度；
B.制备工艺简单，电池材料无毒廉价，放电过程高效安全；
C.循环性能好，安全环保；
D.成本较低。
缺点：
A.容量衰减较快；
B.容易易出现“胀气”等问题。

图18 锌离子电池

总的来讲，金属离子二次电池家族电池们的原理相似又不相同，每一款电池都是材料和科学的灵感碰撞。“删繁就简三秋树，领异标新二月花”，求知路上，你我同行。

本文由材料人编辑部学术干货组 Ahenn 供稿，材料牛编辑整理。

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