一种高能量密度电池 -- 锂金属电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。2025年1月13日，国新办新闻发布会上，海关总署相关负责人介绍，2024年中国锂电池出口39.1亿个，创历史新高。虽然石墨已被证明是迄今为止用于制作阴极的最好和最可靠物质，但它容纳的离子数量有限。研究人员一直希望用锂金属箔来取代石墨，它可以容纳更多的离子，但通常锂金属箔与电解质会产生不良反应，从而导致电解质过热，甚至导致燃烧。此前，来自麻省理工学院的另一家公司A123 Systems由于技术不成熟而宣布破产，这导致了投资者对于电池技术的疑虑。SolidEnergy接管了A123闲置的设施，随后开始以具备商业可行性的方式自主制造电池。

锂电芯(Lithium Cell)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的最基本电化学单位。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

锂电芯(Lithium Cell)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的最基本电化学单位。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

锂金属电池作为一种高能量密度电池，以其在能源领域的潜力和优势备受瞩目。与传统锂离子电池相比，锂金属电池采用锂金属作为负极材料，具有更高的储能密度和更长的循环寿命，是未来电动汽车、便携设备等领域的研究热点之一。

1.锂金属电池的原理

锂金属电池的基本结构包括锂金属负极、正极材料(如氧化物)和电解质。在充放电过程中，锂金属负极通过嵌入式化学反应释放或吸收锂离子，在正极材料中发生还原和氧化反应，从而实现电池的充放电过程。锂金属电池利用锂金属的高容量和低电位，具有较高的能量密度和储能效率。

2.锂金属电池的特点

1. 高能量密度：相比传统锂离子电池，锂金属电池具有更高的能量密度，可以存储更多的电能，提供更长的续航里程。

2. 长循环寿命：锂金属电池具有较长的循环寿命，在多次充放电循环后仍能保持稳定性能，延长电池的使用寿命。

3. 快速充电：锂金属电池支持快速充电技术，可以在短时间内完成充电，满足用户对快速充电的需求。

3.锂金属电池的应用

1. 电动汽车：锂金属电池被广泛应用于电动汽车领域，其高能量密度和长循环寿命使得电动汽车具有更高的续航里程和性能表现。

2. 便携设备：在手机、平板电脑、笔记本电脑等便携设备中也常采用锂金属电池，满足用户对长续航时间和轻便设计的需求。

3. 储能系统：锂金属电池还被应用于储能系统中，用于太阳能、风能等可再生能源的储能和供电。

4.锂金属电池的优势

1. 高能量密度：锂金属电池具有较高的能量密度，可以存储更多的电能，提供长时间的续航里程，适用于需要高能量密度的应用场景。

2. 长循环寿命：具有较长的循环寿命，在多次充放电循环后仍能保持稳定性能，延长电池的使用寿命，降低更换成本。

3. 快速充电技术：支持快速充电技术，能够在短时间内完成充电，提高用户的充电效率和便利性。

4. 高功率输出：锂金属电池具有较高的功率输出能力，支持高功率应用场景，满足对高性能需求的用户。

5. 轻量化设计：锂金属电池相对传统电池更轻巧，有利于产品轻量化设计，提高便携设备的携带舒适性。

6. 环保性：相比较传统燃料电池或镍镉电池，锂金属电池更加环保，减少了有害物质的使用及排放，符合可持续发展理念。

7. 高效能源转换：锂金属电池具有高效的能源转换效率，能够将储存的电能有效地转化为动力，提高能源利用效率。

8. 蓄电性能稳定：具有稳定的蓄电性能，不易受外部条件影响，保持在各种工作环境下的一致性，提高了其在实际应用中的稳定性和可靠性。

5.锂金属电池存在的挑战

1. 安全性问题：锂金属电池在充放电过程中容易出现热失控、短路等安全隐患，可能引发火灾或爆炸，需要寻找有效的安全解决方案。

2. 锂枝晶问题：充放电过程中，锂金属可能会形成枝晶结构，导致内部短路及安全风险，需要解决这一问题以提高电池的稳定性和安全性。

3. 循环稳定性：长期使用后，锂金属电池容易出现容量衰减、极化等问题，影响电池的循环稳定性和性能表现，需要优化设计以延长循环寿命。

4. 成本高昂：目前生产锂金属电池的成本相对较高，包括原材料、制造工艺等方面，使得其在商业应用中的竞争力受到影响。

5. 快速充电技术：虽然锂金属电池支持快速充电技术，但仍需进一步提升充电效率和功率输出，缩短充电时间，提高用户体验。

6. 环境友好性：锂金属电池在生产和处理过程中可能对环境造成一定影响，需要关注其环境友好性，并寻找更加可持续的生产和回收方式。

7. 电解质稳定性：电解质的稳定性对于锂金属电池的性能至关重要，需要提高电解质的稳定性，以确保电池的长期稳定运行。

8. 温度控制问题：锂金属电池对温度较为敏感，过高或过低的温度会影响电池性能和安全性，需要有效的温度控制机制。

9. 负极固液界面问题：固液界面问题是影响锂金属电池循环寿命和性能的关键因素，需要解决固液界面的稳定性问题，提高电池的循环稳定性。

10. 制造工艺复杂性：锂金属电池的制造工艺相对复杂，需要高精密度设备和严格的操作流程，制约了其大规模生产和商业化应用。

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

正极

正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

LiCoO2 3.7 V 140 mAh/g

Li2Mn2O4 4.0 V 100 mAh/g

LiFePO4 3.3 V 100 mAh/g

Li2FePO4F 3.6 V 115 mAh/g

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。 充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6放电时：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算器，数码相机、手表中。

为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究，从而制造出前所未有的产品。

1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。

预计到2013 年全球锂离子电池产业规模将达到278.1 亿美元，2015 年，新能源汽车的产业化应用将带动全球锂离子电池的产业规模达到523.2 亿美元。

就中国市场而言，得益于动力锂离子电池的快速发展，2013 年锂离子电池整体市场规模将达到741.7 亿元，同比增长33.2%，并且未来三年市场规模增速均会保持在30%以上，到2015 年，整个中国锂离子电池的市场规模将突破1000 亿元，达到1251.5 亿元。