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锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 锂离子电池 锂电池
含锂元素的电池在我们的生活中有着非常广泛的应用,例如手机、电脑和电动汽车上的充电电池。与此同时,有关含锂电池的研究更是在当今科研创新的热点。因此,我们耳边常常听到“锂电池”、“锂离子电池”、“锂金属电池”等概念。它们是同一回事吗? 锂金属电池 图1 锂金属-

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含锂元素的电池在我们的生活中有着非常广泛的应用,例如手机、电脑和电动汽车上的充电电池。与此同时,有关含锂电池的研究更是在当今科研创新的热点。因此,我们耳边常常听到“锂电池”、“锂离子电池”、“锂金属电池”等概念。它们是同一回事吗?

锂金属电池

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

               图1 锂金属-硫 电池放电过程示意图

锂金属电池(Lithium metal battery, LMB)是指利用金属锂作为负极(Anode)的电池,与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物等物质。图1是近年来的研究热点“金属锂-硫电池”(Lithiummetal – sulfur battery)的放电过程示意图。

放电时,负极的锂金属失去电子,发生如下反应:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

正极的硫单质得到电子,发生如下反应:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

同时溶液中的Li+离子向硫正极方向迁移,在硫正极上形成不溶于电解液的Li2S产物。总反应方程式为:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

充电时,则发生上述反应的逆反应。有兴趣的读者可以自行推导一下锂金属负极分别与碘单质[1]、氧气[2]搭配组成电池时发生的充放电反应。

一些网络上的资料(如维基百科)报导锂金属电池是一次电池(primarycell),即不可充电电池。值得注意的是,锂金属电池在1912年首次提出时确实是一次电池,但经过一个世纪的发展,现在的技术已经可以很好地实现锂金属的在充放电过程中的溶解和沉积。所以现在科研论文中报导锂金属电池绝大多数为二次电池(secondary cell),即可充电电池。


锂离子电池


锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

             图2   石墨-钴酸锂 锂离子电池充电过程示意图

锂离子电池(Lithium ion battery, LIB),是指基于锂离子在电解液中迁移而运转的电池,概念中对正负极材料没有限制。最常见的锂离子电池负极材料是锂与石墨的化合物LiC6,常见的正极材料有LiCoO2、LiMn2O4等。图2是石墨-钴酸锂电池充电原理示意图。

石墨电极得到电子,并接受Li+离子嵌入,生成石墨-锂化合物,反应式为:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

钴酸锂电极失去电子,同时Li+离子脱嵌,反应式为:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

总反应方程式为:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

放电时,则发生上述过程的逆反应。

可以看出,锂离子电池的充放电过程其实是锂离子在电极材料中的嵌入、脱嵌以及在电解液中的迁移过程。由于锂离子的半径小,在溶液中的移动速度快,充放电时可以实现正负极间的有效、快速的迁移,从而使整个电化学反应得以进行。


锂金属电池 ≠锂离子电池


从二者的电化学原理可以发现,锂离子电池与锂金属电池的最大差异在于:只要是利用Li+离子作为正负极间离子迁移“载体”的电池就可以被称为锂离子电池。而使用锂金属单质作为电极的电池被称为锂金属电池。

不过,锂金属电池的充放电过程也伴随着Li+离子在电解液中的迁移,因此从严格意义上讲,锂金属电池是一种特殊的锂离子电池,即锂离子电池的概念包含锂金属电池。但是,在科技论文中形成了约定俗成的习惯,提到“锂离子电池”时一般指非锂金属的锂离子电池;当使用锂金属作为电极时一般称“锂金属电池”。

在这样的定义下,二者的区分便很明确了:在锂离子电池中,锂元素只以+1价的Li离子形式存在,在充放电过程中不发生电子得失;在锂金属电池中,锂元素在充放电过程中会发生相应的价态变化:

锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析


在一些场合中,还出现了“锂电池”(lithium battery)的概念,既包括了锂金属电池也包括了锂离子电池,是基于锂元素的电池的总称。图3是“锂电池”、“锂离子电池”、“锂金属电池”三者的关系的示意图。


锂电池、锂金属电池、锂离子电池辨析

图3 锂电池、锂离子电池、锂金属电池三者关系示意图

(责任编辑:化学自习室)
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