二次电池：电能与化学能的奇妙转换，你了解多少？

二次电池：电能与化学能的奇妙转换，你了解多少？

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本文将带你走进我们最熟悉，却又十分陌生的电池世界！

说到二次电池，有人可能会说有一次电池和二次电池，还有人可能会说二次电池就是可以充电循环使用的电池。其实二次电池和我们的生活息息相关，得益于二次电池的存在，我们身边的很多电子产品，比如手机、电脑、电动车等等，才能够持续为我们提供服务。二次电池真正难能可贵的地方，就是它能够将电能转化为化学能，在需要的时候储存起来。二次电池在充电的时候，就是将化学能转化为电能。那么二次电池是如何工作的呢？

图1.二次电池示意图

其实，这是一个爱情故事！

正常情况下，原子核是电子世界的中心，快乐的电子围着原子核转，相亲相爱，永不分离。然而，放电时，好动的电子总想顺应时代潮流，出去探险。于是，它脱离了原子核的怀抱，从负极出发去寻找新欢，把原子核（男主）留下。白头偕老的誓言一去不复返。电子历经外部电路的曲折，在正极找到了新欢。电子的第二个男伴是电解液中的另一个正离子。历经沧桑的电子满怀愧疚，始终思念着第一个男伴。充电时，外部电流事件成为导火索，第二个男伴和电子的关系破裂，第二个男主不堪屈辱，便以正离子这个有瑕疵的身份回到人间。电子寻找过去的记忆，却发现男一号还在原来的位置等着自己，感慨万千，心甘情愿。在这个过程中，电流形成了，实现了电能与化学能的相互转化。

风起云涌的新能源战场，新人不断涌现，今天我们就来认识一下二次电池领域的几大巨头：铅酸电池、镍镉电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池……

铅酸电池是世界上应用最广泛的一种蓄电池，广泛应用于交通、通讯、电力、军事、航海、航空等领域。铅酸电池（图2）的电极是由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液。在放电状态下，铅酸电池正极的主要成分是二氧化铅，负极的主要成分是铅；在充电状态下，正负极的主要成分都是硫酸铅。

图 2. 铅酸电池

铅酸电池具有价格低廉、原料易得、性能可靠、回收容易、适合大电流放电等优点；但由于深度、快速、大功率放电，可用容量下降，能量密度低，寿命短，并因离子等缺陷有逐渐被其他电池（如锂离子电池）取代的趋势。近年来，在铅酸电池负极板上添加了超活性炭材料，仍有乐观的应用前景（一种先进的铅酸电池，铅炭电池）。

第二种镍镉电池是直流电源电池，是最早用于手机、超动力设备等的一种电池，镍镉电池的正极活性物质（图3）主要是由镍制成的氢氧化镍，负极活性物质主要是由镉制成的氢氧化镉，电解液为氢氧化钾溶液。

图 3. 镍镉电池

镍镉电池具有大电流放电性能好、抗过充能力强、维护简单等优点，但在充放电过程中存在严重的“记忆效应”，会降低其使用寿命，另外其所含的重金属元素会对环境产生负面影响，由于危害性大，镍镉电池在电子设备领域已基本被淘汰。

镍氢电池与镍镉电池一样，也属于碱性电池，其特性与镍镉电池类似，但镍氢电池无记忆效应，不含镉、铜等元素，不存在重金属污染问题，已取代镍镉电池并有更佳的应用，如在安全性能上甚至超越锂离子电池。镍氢电池在新能源汽车实际应用中占有重要地位，已有19年的装机运行历史。目前在国内，镍氢电池随着混合动力汽车政策的推行，发展迅速。

三是液流电池是一种新型高性能储能电池，主要采用正负极电解液分离、分别循环，具有大规模储能的显著特点。根据电极活性材料不同，可分为全钒液流电池、锂离子液流电池、锌溴液流电池、有机体系液流电池和铅酸液流电池等。

图 4. 液流电池

目前全钒液流电池是最接近产业化的液流电池，其他几种类型也在不断完善中。全钒液流电池（图4）不仅可以作为太阳能、风能发电过程的配套储能，还可以作为储能装置，用于电网调峰，提高电网稳定性，保障电网安全，具有回收安全便捷等优点。但也存在硫酸钒溶液毒性大、钒渣冶炼能耗高、污染大、实际效率低于理论计算等问题。解决和改进液流电池面临的问题是现在的热门课题。

老牌的钠硫电池（图5）是液态金属电池的代表，是以金属钠为负极，硫为正极，以陶瓷管（一般为氧化铝管）为电解质隔膜的二次电池。在此温度下，钠离子穿过电解质膜，与硫发生可逆反应，从而释放并储存能量。

图5.钠硫电池

钠硫电池具有比能量高、可大电流大功率放电、充放电效率高等优点，其理论比能量为760Wh/Kg，实际比能量大于150Wh/Kg，是铅酸电池的3~4倍。电流密度一般可达200​​~300mA/cm2，瞬间可释放出3倍于其固有能量；由于采用固体电解质，不存在通常采用液体电解质二次电池的自放电及副反应，充放电电流效率几乎为100%。但也存在成本高、高温下存在安全风险等弊端。钠硫电池应用技术相对成熟，主要研究方向为产业化和产业化。

同样，锂硫电池不仅具有比能量高的特点，还具有原料易得、价格低廉、环境友好等优势；但也存在正极多硫化物衰减、正极体积膨胀、负极锂枝晶形成、锂离子传导等问题。锂硫电池的最新研究主要集中在利用金属二元硫化物介孔结构——NiS、CMK-3、S-TiO2核壳结构、三硫化物有机化合物作为正极捕获多硫化锂。

锂离子电池是一种很常见的二次电池，广泛应用于电动车、电脑、手机等便携式移动设备，是目前比能量最高、最实用的电池，可分为：钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、镍钴锰酸电池、镍钴铝酸电池等。

锂离子电池（图6）主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作，在充放电过程中，Li+在两电极之间嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，进入电解液嵌入负极后，负极处于富锂状态；放电时则相反。

图6.锂离子电池

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环寿命长、响应快等优点，但也存在过充导致发热燃烧、价格高、回收困难等安全风险，重点主要在于提高安全性以及正负极和电解质材料。

水系离子电池是采用水系电解质替代有机电解质的电池体系，廉价、无污染、安全性高，在大规模储能系统中具有潜在的重要应用前景，最新研究主要集中于水系锌离子电池和水系锂离子电池，以宁波材料动力研究所陈亮等人提出的采用锂钠混合离子电解质构筑的新型水系离子电池（图7）为例进行说明。

图7. Li/K+和Na/K+混合离子电池

该类电池一个电极采用对锂离子有选择性嵌入/脱嵌活性的化合物作为活性物质，另一个电极采用对钠离子有选择性嵌入/脱嵌活性的化合物作为活性物质，以钠离子水溶液作为电解液，在充放电过程中，Li+/Na+只在电池的一个电极处嵌入和脱嵌，拓宽了现有锂离子电池材料的应用范围，为钠离子电池的发展开辟了新的机会，是一种很有前景的思路，对丰富储能电池体系具有重要的科学意义。

金属空气电池（图8）被认为是最有前途的绿色能源之一，它采用铝、锌、锂、镁等电极电位比较负的金属作为负极，资源丰富，可回收利用；利用空气中的氧气或者纯氧作为正极活性物质，理论上正极材料有无限多种，这使电池具有性能稳定、能量密度高的特点。

图8.金属空气电池结构

不同金属具有不同的性质，导致金属空气电池研究中存在不同的技术难题，如铝空气电池铝表面易钝化、锌空气电池锌电极自腐蚀、锌枝晶形成、存在非水体系、水体系等诸多热点问题；此外还存在电池无法密封，易造成电解液干涸、上涨，影响电池容量和寿命；以及湿储性能差等缺点。

这七种均为二次电池领域的强者，虽然各有优缺点，但都在电化学储能发展中扮演着不可或缺的角色，应根据不同应用领域的实际需求进行开发和适应，坚持电化学储能电池技术“低成本、长寿命、高安全、易回收”的设计理念，不断完善各款电池的不足，推动储能技术与应用的发展。