金屬鋰電池和鋰離子電池有哪些區(qū)別？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-08 16:47
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最主要的區(qū)別是金屬鋰電池是一次性電池，鋰離子電池是可充電循環(huán)電池！金屬鋰電池跟普通干電池的原理一樣，它是用金屬鋰作為電極，通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產(chǎn)生電能的，用完就廢了，不能充電；鋰離子電池一般用鈷酸鋰做正極，碳做負極，中間填充電解液以形成離子游離的通道，用隔膜來分離正負極防止短路。當(dāng)充電時由于電場作用鋰離子從鈷酸鋰中游出，游離在電液中穿過隔膜中的孔隙，到達負極與碳反應(yīng)生成碳化鋰；放電過程與此相反，鋰離子又回到正極，這就是鋰離子電池的充放電過程
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
鋰離子電池中電解液為酯類溶劑體系，反應(yīng)活性比較高，因此不適合金屬鋰電池，而醚類溶劑則相對比較穩(wěn)定，研究表明醚類電解液能夠很好的抑制金屬鋰枝晶的生長。除了溶劑體系外，鋰鹽的選擇也對金屬鋰負極的性能有著顯著的影響，例如高濃度的LiFSI能夠顯著的提升鋰金屬電池的庫倫效率。
能夠注意到醚類電解液的低溫電導(dǎo)率要明顯低于碳酸酯類電解液，同時我們還注意到兩種不同濃度的LiFSI電解液的電導(dǎo)率曲線上有一個突變點，這主要是因為在溫度降低的過程中LiFSI沉淀析出導(dǎo)致的，但是如果我們在電解液添加LiTFSI后就能夠有效的抑制LiFSI的沉淀現(xiàn)象。
我們能夠看到金屬鋰負極在碳酸酯類電解液中非常不穩(wěn)定，首次效率僅為54.7%，經(jīng)過85次循環(huán)后庫倫效率才逐漸提高到80%，表明金屬鋰在碳酸酯類電解液中穩(wěn)定較差，副反應(yīng)較多從而嚴(yán)重影響金屬鋰負極的循環(huán)性能。而在醚類電解液中金屬鋰負極的穩(wěn)定性則要好的多，不僅首次效率顯著提高，在隨后的循環(huán)中電池的充放電庫倫效率也很快達到了98.2%（SSEE電解液）和97.9%（BSEE電解液）并穩(wěn)定循環(huán)了200次。
由于金屬鋰是一種非?；顫姷慕饘伲哂蟹浅姷倪€原能力，因此金屬鋰在沉積過程中的致密度就非常關(guān)鍵，更加致密的結(jié)構(gòu)能夠有效的減少金屬鋰與電解液之間的接觸面積，減少副反應(yīng)的發(fā)生，對于提升庫倫效率和循環(huán)壽命都有積極的影響。下圖為金屬鋰在幾種不同電解液中的沉積的表面形貌，從下圖a中能夠看到在碳酸酯類電解液中沉積的金屬鋰存在大量的枝晶，金屬鋰呈現(xiàn)非常疏松的堆積狀態(tài)，而采用高濃度醚類電解液的金屬鋰顆粒比較大，沉積層也更加致密。對沉積層的截面觀測能夠發(fā)現(xiàn)，在碳酸酯類電解液中沉積的金屬鋰層中存在大量的孔隙（下圖d），而在SSEE電解液中，金屬鋰沉積層主要由大顆粒的金屬鋰組成，并且沉積層中的孔隙也顯著減少（下圖e），而在采用雙鋰鹽的BSEE電解液中，金屬鋰沉積層的結(jié)構(gòu)被進一步優(yōu)化，金屬鋰沉積層中沒有見到明顯的孔隙。這表明高濃度的醚類電解液能夠有效的抑制鋰枝晶的生長，而采用雙鋰鹽醚類電解液則能夠進一步改善金屬鋰沉積層的結(jié)構(gòu)。
低溫透射電鏡技術(shù)是近年來興起的一種觀測技術(shù)，在極低的溫度下能夠最大限度的避免被觀測材料被電子束破壞，因此這也讓原位觀測鋰枝晶的產(chǎn)生和生長成為了可能。從下圖能a能夠看到在普通的碳酸酯類電解液中金屬鋰沉積會形成條狀結(jié)構(gòu)，無序的生長的鋰枝晶在沉積層內(nèi)產(chǎn)生了大量的孔隙，而在SSEE電解液中，金屬鋰沉積層主要是由鋰枝晶和鋰納米片組成，而在BSEE電解液中，金屬鋰沉積層則完全是由無定形的鋰納米片結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
為了分析電解液對于金屬鋰沉積行為的影響，Judith Alvarado采用密度函數(shù)的方法對于金屬鋰在BSEE電解液（LiSFI+LiTSFI，溶劑DME）中的沉積行為進行了研究，計算顯示在金屬鋰表面的首先發(fā)生的反應(yīng)是LiFSI的還原和分解，然后才發(fā)生LiTFSI的分解。雖然LiTFSI分解反應(yīng)比較滯后，但是在電解液中LiTFSI能夠吸引負極表面的電子，并將LiFSI從負極表面擠走，減緩LiFSI分解速度，從而在金屬鋰的表面形成一層更加均勻和更加穩(wěn)定的SEI膜，有利于金屬鋰電池循環(huán)性能的提升。
為了驗證醚類電解液在強氧化體系中的穩(wěn)定性，Judith Alvarado以NCM622為正極，金屬鋰為負極組裝了Swagelok電池，并加入不同的電解液，并充電到4.4V，從下圖中能夠看到采用BSEE電解液的電池循環(huán)300次后容量保持率仍然達到88%以上，比SSEE電解液高10%，比碳酸酯類電解液高25%，表明BSEE電解液能夠顯著提升金屬鋰電池的循環(huán)性能。
