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锂电池的种类、材料及前景

摘要随着社会的进步，人们对能源的需求越来越大，对高比能量的电池有越来越高的要求。这种情况下，锂电池成为了十分好的选择。本文简要叙述了锂电池的发展；介绍了锂电池的种类，正负极材料，电解液的选择；着重介绍了锂离子电池的工作原理及材料使用；同时对锂空气电池技术作了简述。

关键词锂电池，锂离子电池，材料，种类，工作原理，前景，锂空气电池

概述

随着社会的进步发展，人类所需要的能量越来越多，传统的化石能源不仅不能再生，，过多的使用加剧了环境的恶化。虽然现在的能源结构基本构建在化石燃料的基础之上，但人们也已了解到充分利用风能、太阳能等可再生能源的重要性。然而这些能源作用不连续，需要有能量贮存器，电池作为一种将电能以化学能形式储存起来的的装置是十分合适的。尤其是二次电池，在现代人的手机、手表乃至汽车里都有应用。

电池在几十年的发展中，性能在逐渐优化，这其中比能量高是人们不断追求的目标。由于在所有的金属中锂比重很小(M=6.94g/mol)、电极电势极低(标准电极电势-3.045V)，它是能量密度极大的金属，锂电池体系理论上能获得最大的能量密度，因此它顺理成章地进入了研究者们的视野。

2锂电池的种类

锂电池又分为锂一次电池（又称锂原电池）与锂二次电池（锂充电电池），与1912年由GilbertN.Lewis第一次提出，将人们的视线引向了活泼金属电池上。在锂二次电池的基础上，又发展起来锂离子电池。大致发展历程如图1。

图1锂离子发展示意图

锂电

锂电池

锂二次电池

锂一次电池

锂离子电池

锂空气电池

图2锂电池的种类

下面介绍几种发展较为成熟的锂一次电池。

2.1Li-MnO2电池（锂一次电池）

Li-MnO2电池是锂电池中应用较多的一种有机电解质电池，一般做成钮扣型或圆柱形，开路电压为3.5V，负荷电压为2.8V，比能量可达200W·h/kg和500W·h/L，常温下电池储存寿命超过10年，且储存和放电过程中无气体放出，安全性能好。

(-)Li∣LiClO4,PC+DMG∣MnO2(+)

负极反应：Li-e-→Li+

正极反应：MnO2+Li++e-→MnOOLi

电池反应：Li+MnO2→MnOOLi

按照上述反应，Li-MnO2放电时负极锂生成Li+进入电解质溶液，正极二氧化锰得电子还原成三价锰，同时，锂离子进入二氧化锰晶格中形成MnO2(Li)，即MnOOLi。

这类电池主要用于低倍率放电。其能量比约为铅酸蓄电池的5到7倍。电池储存和放电过程中无气体放出，自放电小，不会因活性物质分解引起电池内压增大。中小容量的电池适合于小型电子计算机、照相机及小型通讯机的电源，大容量的电池适合于要求电池比能量高、使用时间长的场合，因此可作为军事领域的理想电源。

2.2Li-SOCl2电池（锂一次电池）

Li-SOCl2电池是一种研究较为成熟的有机电解质电池。其开路电压高达3.6～3.7V，且电压平稳、负荷电压精度高，同时还有较高的比能量。表1中给出一些常用小型电池系列活性物质成本比较，可以看出，Li-SOCl2电池是常用电池中成本最低的。

表1常用电池系列成本的比较

电池

Zn-MnO2

Zn-HgO

Zn-Ag2O

Li-SOCl2

Li-SO2

Li-(CF)n

Li-MnO2

成本/[美分/(A·h)]

0.553

9.91

45.5

0.814

1.54

5.49

1.59

成本/[美分/(W·h)]

0.369

7.34

30.4

0.226

0.527

1.96

0.45

Li-SOCl2电池的电化学表达式为

正极反应：

其中，M=Co、Ni等。

由于锂离子电池基本原理大致相同，下面针对其材料进行阐述。

4.2锂离子电池的正极材料

锂离子电池的正极材料主要为（1）嵌锂过渡金属氧化物。主要针对于锂镍氧体系、锂锰氧体系和钒氧化合物及其衍生物以取代成本较为昂贵的LiCoO2，这类材料具有较高的化学电位，并且是具备拓扑化学反应特征的插层化合物，一般此类化合物为层状结构或尖晶石结构。（2）嵌锂金属硫化物LixMS2。（3）其他如钒酸盐系列、钛酸盐系列和磷酸盐系列。

一般而言，锂离子电池的正极材料应满足下列要求：

1.锂离子在嵌入化合物中应有较高的氧化还原电势；

2.应有做够多的位置接纳锂离子，以使电极具有足够高的容量；

3.应有充分的离子通道，允许足够多的锂离子可逆地嵌入和脱嵌，从而保证电极过程的可逆性；

4.嵌入和脱嵌过程对正极材料结构的影响尽可能小，从而保证电池的稳定；

5.应具有较高的电子电导率和离子导电率，以减小极化和