鋰電池、鋰金屬電池、鋰離子電池，鋰聚合物電池的區(qū)別有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-13 18:51
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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(jī)、電腦和電動(dòng)汽車上的充電電池。與此同時(shí)，有關(guān)含鋰電池的研究更是在當(dāng)今科研創(chuàng)新的熱點(diǎn)。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(fù)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(diǎn)“金屬鋰-硫電池”(Lithiummetal – sulfur battery)的放電過程示意圖。
放電時(shí)，負(fù)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(shí)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(shí)，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(dǎo)一下鋰金屬負(fù)極分別與碘單質(zhì)[1]、氧氣[2]搭配組成電池時(shí)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(bào)導(dǎo)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(shí)確實(shí)是一次電池[3]，但經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)可以很好地實(shí)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(bào)導(dǎo)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(yùn)轉(zhuǎn)的電池，概念中對(duì)正負(fù)極材料沒有限制。最常見的鋰離子電池負(fù)極材料是鋰與石墨的化合物L(fēng)iC6，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(shí)Li+離子脫嵌，反應(yīng)式為：
總反應(yīng)方程式為：
放電時(shí)，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(shí)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(dòng)速度快，充放電時(shí)可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極間的有效、快速的遷移，從而使整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。
3鋰金屬電池不等于鋰離子電池
從二者的電化學(xué)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(fù)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(yán)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(xí)慣，提到“鋰離子電池”時(shí)一般指非鋰金屬的鋰離子電池；當(dāng)使用鋰金屬作為電極時(shí)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(jià)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(huì)發(fā)生相應(yīng)的價(jià)態(tài)變化：
在一些場(chǎng)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(jìn)了千家萬戶，日常生活中的電子設(shè)備、電動(dòng)汽車都使用了鋰離子電池。鋰金屬電池則是近幾年科學(xué)研究的焦點(diǎn)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(xué)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(xiǎn)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(fù)極和鋰金屬電池中的鋰(Li)負(fù)極為例，做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算對(duì)比。
金屬鋰負(fù)極的比容量是石墨鋰化合物C6Li 負(fù)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(fù)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(xué)家的努力下，相信有一天鋰金屬電池能克服這些缺點(diǎn)，讓我們的電子設(shè)備更加輕盈，讓電動(dòng)汽車跑得更遠(yuǎn)！
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(fù)極材料，由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。鋰離子電池負(fù)極是石墨等插層結(jié)構(gòu)材料，電池中是鋰離子在正負(fù)極移動(dòng)，因此比鋰金屬電池安全很多。
