詳解鋰電池、鋰金屬電池、鋰離子電池，鋰聚合物電池的區(qū)別
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-10 09:59
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含鋰元素的電池在我們的生活中有著非常廣泛的應(yīng)用，例如手機、電腦和電動汽車上的充電電池。與此同時，有關(guān)含鋰電池的研究更是在當今科研創(chuàng)新的熱點。因此，我們耳邊常常聽到“鋰電池”、“鋰離子電池”、“鋰金屬電池”、“鋰聚合物電池”等概念。它們是同一回事嗎？
鋰金屬電池(Lithium metal battery, LMB)是指利用金屬鋰作為負極(Anode)的電池，與其相搭配的正極材料可以是氧氣、單質(zhì)硫、金屬氧化物等物質(zhì)。圖1是近年來的研究熱點“金屬鋰-硫電池”(Lithiummetal – sulfur battery)的放電過程示意圖。
放電時，負極的鋰金屬失去電子，發(fā)生如下反應(yīng)：
正極的硫單質(zhì)得到電子，發(fā)生如下反應(yīng)：
同時溶液中的Li+離子向硫正極方向遷移，在硫正極上形成不溶于電解液的Li2S產(chǎn)物?？偡磻?yīng)方程式為：
充電時，則發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。有興趣的讀者可以自行推導一下鋰金屬負極分別與碘單質(zhì)[1]、氧氣[2]搭配組成電池時發(fā)生的充放電反應(yīng)。
一些網(wǎng)絡(luò)上的資料（如維基百科）報導鋰金屬電池是一次電池(primarycell)，即不可充電電池。值得注意的是，鋰金屬電池在1912年首次提出時確實是一次電池[3]，但經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)可以很好地實現(xiàn)鋰金屬的在充放電過程中的溶解和沉積。所以現(xiàn)在科研論文中報導鋰金屬電池絕大多數(shù)為二次電池(secondary cell)，即可充電電池[4]。
鋰離子電池(Lithium ion battery, LIB)，是指基于鋰離子在電解液中遷移而運轉(zhuǎn)的電池，概念中對正負極材料沒有限制。最常見的鋰離子電池負極材料是鋰與石墨的化合物LiC6，常見的正極材料有LiCoO2、LiMn2O4等[5]。圖2是石墨-鈷酸鋰電池充電原理示意圖。
石墨電極得到電子，并接受Li+離子嵌入，生成石墨-鋰化合物，反應(yīng)式為：
鈷酸鋰電極失去電子，同時Li+離子脫嵌，反應(yīng)式為：
總反應(yīng)方程式為：
放電時，則發(fā)生上述過程的逆反應(yīng)。
可以看出，鋰離子電池的充放電過程其實是鋰離子在電極材料中的嵌入、脫嵌以及在電解液中的遷移過程。由于鋰離子的半徑小，在溶液中的移動速度快，充放電時可以實現(xiàn)正負極間的有效、快速的遷移，從而使整個電化學反應(yīng)得以進行。
3鋰金屬電池不等于鋰離子電池
從二者的電化學原理可以發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池與鋰金屬電池的最大差異在于：只要是利用Li+離子作為正負極間離子遷移“載體”的電池就可以被稱為鋰離子電池。而使用鋰金屬單質(zhì)作為電極的電池被稱為鋰金屬電池。
不過，鋰金屬電池的充放電過程也伴隨著Li+離子在電解液中的遷移，因此從嚴格意義上講，鋰金屬電池是一種特殊的鋰離子電池，即鋰離子電池的概念包含鋰金屬電池。但是，在科技論文中形成了約定俗成的習慣，提到“鋰離子電池”時一般指非鋰金屬的鋰離子電池；當使用鋰金屬作為電極時一般稱“鋰金屬電池”。
在這樣的定義下，二者的區(qū)分便很明確了：在鋰離子電池中，鋰元素只以+1價的Li+離子形式存在，在充放電過程中不發(fā)生電子得失；在鋰金屬電池中，鋰元素在充放電過程中會發(fā)生相應(yīng)的價態(tài)變化：
在一些場合中，還出現(xiàn)了“鋰電池”(lithium battery)的概念，既包括了鋰金屬電池也包括了鋰離子電池，是基于鋰元素的電池的總稱。圖3是“鋰電池”、“鋰離子電池”、“鋰金屬電池”三者的關(guān)系的示意圖。
圖3 鋰電池、鋰離子電池、鋰金屬電池三者關(guān)系示意圖
4鋰金屬電池 vs 鋰離子電池
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為了比較成熟的技術(shù)，走進了千家萬戶，日常生活中的電子設(shè)備、電動汽車都使用了鋰離子電池。鋰金屬電池則是近幾年科學研究的焦點之一，但是離普及應(yīng)用還有很長一段距離。鋰金屬是堿金屬，化學性質(zhì)活潑，可以與水、氧氣等物質(zhì)反應(yīng)，在空氣中可能發(fā)生燃燒，是一種比較危險的物質(zhì)。那為什么我們還要投入大量的人力物力研究發(fā)展鋰金屬電池呢？
主要原因是鋰金屬電池的比容量(specific capacity)十分可觀，比容量是指單位質(zhì)量的材料能給出或接受的電子數(shù)。下面以鋰離子電池中的石墨鋰化合物((C6Li)負極和鋰金屬電池中的鋰(Li)負極為例，做一個簡單的計算對比。
1 mol的C6Li質(zhì)量為
放電時給出1mol電子，比電子容量為
1 mol的金屬（Li）質(zhì)量為
放電時給出1mol電子，比容量為
金屬鋰負極的比容量是石墨鋰化合物C6Li 負極的11倍以上！
雖然金屬鋰電池的商業(yè)化還面臨著許多問題，例如鋰金屬負極的枝晶生長、鋰硫電池中的多硫化物穿梭效應(yīng)、鋰金屬的安全問題等，但是在科學家的努力下，相信有一天鋰金屬電池能克服這些缺點，讓我們的電子設(shè)備更加輕盈，讓電動汽車跑得更遠！
參考文獻
[1] Zhao Q，Lu Y，Zhu Z，Tao Z，Chen J．Rechargeable lithium-iodine batterieswith iodine/nanoporous carbon cathode[J]． Nano letters，2015，15：5982-5987．
[2] Peng Z，F(xiàn)reunberger SA，Chen Y，Bruce PG．A reversible and higher-rate Li-O2battery[J]．Science，2012，337：563-566．
[3] Lewis GN，Keyes FG．The potential of the lithiumelectrode[J]． Journal of the American Chemical Society，1913，35：340-344．
[4] Xu W，Wang J，Ding F，Chen X，Nasybulin E，Zhang Y，etal．Lithium metal anodes for rechargeable batteries[J]． Energy & Environmental Science，2014，7：513-537．
[5] Scrosati B．Recent advances in lithium ionbattery materials[J]．Electrochimica Acta，2000，45：2461-2466．
金鑒實驗室-延伸閱讀：
鋰電池、鋰金屬電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池的區(qū)別
原理不同，先說鋰金屬電池和鋰離子電池（聚合物也是鋰離子電池），鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料，由于鋰金屬的化學特性非?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。鋰離子電池負極是石墨等插層結(jié)構(gòu)材料，電池中是鋰離子在正負極移動，因此比鋰金屬電池安全很多。
鋰離子電池
再說鋰離子電池和鋰聚合物電池，鋰離子電池電解液是液態(tài)，聚合物電池的電解質(zhì)是凝膠或者固態(tài)，更安全一些。
鋰金屬電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池有什么區(qū)別？
首先
我們?nèi)缃竦匿囯姵?，按照學名，應(yīng)該叫鋰二次電池，有相應(yīng)的負極材料，和鋰一次電池不同，一次電池主要是以鋰為另一極，這類電池一般使用液態(tài)電解液，現(xiàn)如今主要是基于LiPF6、LiClO4溶于DMC:EC(v:v=1:1)的電解液里，有些也對其進行了改性，但仍為液體電池。
聚合物鋰電池，從電池內(nèi)部材料的角度來說，主要是內(nèi)部電解質(zhì)是采用聚合物，這里一般是凝膠電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)，如果沒記錯，韓國人曾經(jīng)發(fā)表過以PEO-離子液體為電解質(zhì)的凝膠狀電池，不知道GalaxyRound或者LGGFlex上有沒有用到這樣的電池。
鋰聚合物電池
其次
鋰聚合物電池和鋰金屬電池、液態(tài)鋰離子電池在包裝上有些許不同，后者一般是以鋼殼（18650或者扣式的2320），而鋰聚合物電池以鋁塑包裝膜作為包裝，即軟包電池。所以目前市場存在一種誤解，軟包裝的鋰電池就是聚合物鋰電池，其實大部分國內(nèi)廠家生產(chǎn)的軟包電池依然是用的液態(tài)電解質(zhì)，并不屬于聚合物鋰電池，真正做聚合物鋰電池的廠家并不多。
