堿金屬電池的優(yōu)缺點(diǎn)分析
高能量”與“高危險(xiǎn)”幾乎是并存的,越高能量的失控就會(huì)導(dǎo)致更大的災(zāi)難。地球人能夠掌握的最高能量莫過(guò)于核能。一個(gè)核反應(yīng)堆可持續(xù)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(huì)造成很大的危險(xiǎn)。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。
考慮到地殼儲(chǔ)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(jià)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。
雖然危險(xiǎn),但堿金屬電池已經(jīng)普遍存在我們?nèi)粘I钪校话銥殇嚱饘僖淮坞姵?,舉例如下:
相機(jī)閃光燈所用的圓柱狀A(yù)A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)。
鋰金屬一次電池是一個(gè)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(gè)例子說(shuō)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)。
電池使用一次就扔掉不僅造成使用成本很高,對(duì)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(huì)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^(guò)程中,堿金屬的不均勻沉積生成枝晶會(huì)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。
鋰金屬負(fù)極的技術(shù)障礙至今沒(méi)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(shí),鋰離子從正極脫出,移動(dòng)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(wèn)題 (見下圖,參考文獻(xiàn)[3])。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(lái)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(wú)線移動(dòng)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(jià),而且,在大電流密度下,石墨也有形成枝晶的危險(xiǎn),鋰離子快速的嵌入石墨層中,會(huì)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。
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(jué)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(shí)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(dòng)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(shí)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(huì)著火,而金屬鋰在不遇水的情況下,在空氣中只會(huì)氧化,反而不會(huì)起火。
石墨之所以被選擇作為負(fù)極,不是因?yàn)長(zhǎng)iC6本身安全,而使因?yàn)槭膶訝罱Y(jié)構(gòu)可以防止鋰枝晶的生成。如果金屬枝晶問(wèn)題能夠自身解決(比如液態(tài)鈉硫電池),石墨是完全沒(méi)有必要的 。但目前尚無(wú)解決鋰枝晶方法。
















