锂电池的种类及其优缺点

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。

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。

Li-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，因此可作为特种领域的理想电源。

Li-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。

Li-SOCl2电池的电化学表达式为：（-）Li∣LiAlCl4-SOCl2∣C（+）

电解液是LiAlCl4的SOCl2溶液。SOCl2即是电解质的溶剂，又是正极活性物质。电池反应：

4Li+2SOCl2→4LiCl+S+SO2

放电产物二氧化硫部分溶于SOCl2中，硫单质大量析出，沉积在正极炭黑中，LiCl是不容物。

这种电池的负极锂与SOCl2接触时会发生如下反应

：8Li+3SOCl2→6LiCl+Li2S2O4+S2Cl2

由于产物LiCl形成致密的保护膜阻碍了反应的进行，又由于它还是固体电解质膜，允许离子通过，所以不妨碍锂电极的正常阳极溶解。

但是SOCl2电池存在两个突出问题，即“电压滞后”和“安全问题”。电压滞后是因为LiCl的产生，它以薄膜的形式覆盖在锂阳极表面，虽然可以防止电池自放电，但导致了电压滞后。另外，储存时间越长，储存温度越高，膜就会越厚，滞后现象越明显。

当SOCl2电池短路时，会引发Li和S的热反应：

2Li+S→Li2S

Li2S在145度下又可与SOCl2发生剧烈反应，导致爆炸。

还有一种爆炸的原因是在正极上沉积的锂形成枝晶，造成短路。Li与S反应，或者SO2也可以在负极发生反应，最终生成Cl2O这种十分不稳定的爆炸性物质。

锂电池的优缺点：

优点

1．能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；

2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10，000次的记录；

3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用；

4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；

5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

7．高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；

8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克（重量单位），L是升（体积单位）。

缺点

1．锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，价格昂贵，安全性较差。

3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。

4．生产要求条件高，成本高。

5．使用条件有限制，高低温使用危险大。