鋰電池、鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰聚合物電池有什么不同？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-09 15:10
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1鋰金屬電池
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、單質硫、金屬氧化物等物質。
放電時，負極的鋰金屬失去電子，發(fā)生如下反應：
正極的硫單質得到電子，發(fā)生如下反應：
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產物?？偡磻匠淌綖椋?/div>
充電時，則發(fā)生上述反應的逆反應。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[1]、氧氣[2]搭配組成電池時發(fā)生的充放電反應。
一些網絡上的資料（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]，但經過一個世紀的發(fā)展，現在的技術已經可以很好地實現鋰金屬的在充放電過程中的溶解和沉積。所以現在科研論文中報導鋰金屬電池絕大多數為二次電池(secondary cell)，即可充電電池[4]。
2鋰離子電池
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，反應式為：
鈷酸鋰電極失去電子，同時Li+離子脫嵌，反應式為：
總反應方程式為：
放電時，則發(fā)生上述過程的逆反應。
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，充放電時可以實現正負極間的有效、快速的遷移，從而使整個電化學反應得以進行。
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，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)生相應的價態(tài)變化：
在一些場合中，還出現了“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”三者的關系的示意圖。
4鋰金屬電池 vs 鋰離子電池
經過幾十年的發(fā)展，鋰離子電池已經成為了比較成熟的技術，走進了千家萬戶，日常生活中的電子設備、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，但是離普及應用還有很長一段距離。鋰金屬是堿金屬，化學性質活潑，可以與水、氧氣等物質反應，在空氣中可能發(fā)生燃燒，是一種比較危險的物質。
