金屬離子電池的化學(xué)

當(dāng)今使用的電池有很多種，其中最著名的一種是鋰離子 (Li-ion) 電池。鋰離鋰離子電池獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。雖然鋰離子電池在現(xiàn)代技術(shù)中的重要性不可低估，但實(shí)際上它們只是屬于金屬離子電池類別的眾多電池之一，但它們的使用更為廣泛，因?yàn)樗鼈兏咝?、更安全?/p>

不同的基本細(xì)胞化學(xué)

所有金屬離子電池都是可充電電池。在談到金屬離子電池的化學(xué)時(shí)，制造電池涉及到很多材料化學(xué)。每個(gè)金屬離子電池由兩個(gè)電極（陽極和陰極）、電解質(zhì)、隔膜和外部電子電路組成。在討論金屬離子電池時(shí)，我會(huì)想到四個(gè)主要例子。最明顯的例子是鋰離子電池，其他還有鋁離子（Al-ion）、鈉離子（Na-ion）和鋰離子聚合物電池（LiPo）。這四種電池的主要區(qū)別在于電極、電解質(zhì)和作為電池內(nèi)活性電荷載體的離子的組成。

鋰離子電池通常有一個(gè)鋰基陰極，它可以由氧化鋰、層狀鋰氧化物或聚陰離子材料制成。陽極是碳基的，但這里的材料可能會(huì)有很大差異。長(zhǎng)期以來的選擇是石墨，但最近的發(fā)展已經(jīng)看到使用石墨烯和石墨烯-石墨混合電極以及其他各種碳復(fù)合材料作為陽極材料。電解質(zhì)是液體和鋰鹽，可有效傳輸鋰離子。電解質(zhì)是各種有機(jī)和非水成分的復(fù)雜混合物，例如碳酸亞乙酯（或二亞乙基）與 LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4 或 LiCF3SO3 陰離子鹽。鋰離子電池是最有效的，因?yàn)殇囯x子可以進(jìn)入電極，有效地進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并輕松退出電極。這使得電池的充電和放電循環(huán)更有效率。

鈉離子電池的成分與鋰離子電池相差無幾，因?yàn)閮煞N活性離子都具有一個(gè)正電荷。在鈉離子電池中，鈉離子是電荷載體，陰極是由鈉過渡金屬氧化物制成的復(fù)合材料，陽極通常由無定形碳制成。電解質(zhì)本質(zhì)上可以是水性或非水性的，但在鋰離子電池中發(fā)現(xiàn)的非水性陰離子鹽電解質(zhì)的鈉當(dāng)量是最廣泛使用的，NaPF6 是常見的選擇。

鋁離子電池還沒有那么成熟，但顯示出很大的前景。他們進(jìn)行大量研究的主要原因是鋁攜帶三個(gè)電荷，而鋰只有一個(gè)，因此它有可能儲(chǔ)存更大的能量。但是鋁離子的大量有效電荷使得它們一旦發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)就更難離開電極，這也是為什么我們還沒有看到它們被商業(yè)化使用的原因。鋁基材料和石墨往往分別構(gòu)成陽極和陰極，電解質(zhì)是由氯化鋁組成的液體，但所有這些基礎(chǔ)領(lǐng)域目前都在開發(fā)中，并且可能會(huì)隨著新研究產(chǎn)生更有效的材料/化學(xué)物質(zhì)而改變物種。

與其他電池不同的是鋰聚合物電池，它是傳統(tǒng)鋰離子電池的一種變體。兩個(gè)電極都由與鋰離子電池相同的材料制成，但電解質(zhì)是主要區(qū)別。電解質(zhì)不是由非水液體制成，而是由聚合物制成，因此它具有凝膠狀（半固體）稠度，但仍具有足夠的流動(dòng)性以傳輸鋰離子。鋰聚合物電池中使用的大多數(shù)電解質(zhì)由固體聚合物組成，例如聚（環(huán)氧乙烷）（PEO）、聚（丙烯腈）（PAN）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）或聚（偏二氟乙烯）（PVdF） )，它們已分散在有機(jī)溶劑中，使其具有所需的凝膠狀稠度。

金屬離子電池的工作原理

上面我們討論了用于構(gòu)建電極的材料和用作電解質(zhì)的材料。大多數(shù)金屬離子電池的基本工作機(jī)制是相同的，所以舉一個(gè)例子比討論所有電池的工作原理更容易。鋰離子電池就是最好的例子；但是，對(duì)于鋁離子和鈉離子電池，如果分別用鋰離子代替鋁離子和鈉離子，原理是相同的。應(yīng)該注意的是，在陽極和陰極發(fā)生的特定電化學(xué)反應(yīng)對(duì)于所有電池都是不同的。因此，有太多的電化學(xué)反應(yīng)無法詳細(xì)提及不同的反應(yīng)。

可充電電池有兩種主要機(jī)制：充電和放電。充電機(jī)制是電池儲(chǔ)存能量的過程，而放電是在它釋放能量時(shí)——例如，當(dāng)設(shè)備打開時(shí)。當(dāng)電池充電時(shí)，來自為電池充電的電源的電子與陰極中的鋰離子結(jié)合。這導(dǎo)致離子通過電解質(zhì)和隔板移動(dòng)到陽極，在那里它們通過陽極材料中的分子孔進(jìn)入 - 這一過程稱為嵌入。然后能量以束縛電子的形式儲(chǔ)存在陽極內(nèi)的鋰離子中。當(dāng)裝有電池的設(shè)備打開時(shí)，陽極會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子離開陽極并移動(dòng)到（并嵌入）陰極。然后釋放存儲(chǔ)的電子以產(chǎn)生為設(shè)備供電的電流。如果電池未被使用或充電，則鋰離子會(huì)解吸到電極之間的電解質(zhì)介質(zhì)中。

結(jié)論

大多數(shù)金屬離子電池的工作方式相似，主要區(qū)別在于構(gòu)成電極和電解質(zhì)的化學(xué)成分，這反過來會(huì)影響電池內(nèi)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于使用不同電解質(zhì)的相同電池，這些電化學(xué)反應(yīng)也可能不同。在所有不同的金屬離子電池中，鋰離子電池是最有效的，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松地在電極之間移動(dòng)并進(jìn)行必要的電化學(xué)反應(yīng)，而不會(huì)卡在電極的分子孔中。鋁電池顯示出很大的前景，但在商業(yè)使用之前，必須首先解決離開電極的電荷重離子的問題。

審核編輯黃昊宇