未来二次电池

王久林

上海交通大学化学与化工学院

研究员

1　概要描述

二次电池（batteries）是一种在化学能和直流电能之间反复进行转化的装置，一般由正极、电解质、负极和外壳等组成，其工作原理（以锂离子电池为例）：当放电时，正极材料被还原，负极材料被氧化；即锂离子从负极材料脱出，经过电解液被传递到正极材料中，同时电子从负极经外电路流向正极，实现化学能向电能的转化。当充电时，过程相反，即通过外电路的反向电流实现电能向化学能的转化。

自1859年发明铅酸电池以来，二次电池已经发展了150多年，其中发展最为迅猛的是锂离子电池。仅仅经历了25年时间，锂离子电池已经广泛地应用在手机、相机和笔记本电脑中，并在电动交通工具中初步实现了产业化。

金属锂在元素周期表中电位最负，为—3.045 V，与单质硫组成的锂硫电池理论能量密度为2 600 Wh/kg；与氧气组成的锂空气电池理论能量密度为11 140 Wh/kg（未考虑氧气重量）；氟为元素周期表中电位最正，为2.89 V。如果组装成锂氟二次电池，电池电压为5.9 V，理论能量密度达6 098 Wh/kg，约为目前锂离子电池理论能量密度的10倍。挑战在于克服金属锂枝晶；解决单质正极电化学反应的活性、可逆性和循环稳定性；对于氟正极来说还需要开发新型可逆存储氟材料。

图1　锂离子电池

2　应用前景

作为电动汽车、智能电网、风光发电、电站削峰填谷等新能源领域的核心部件，动力或储能电池的研究引起了各国高度重视。再经过20 ～ 30年的研究，未来二次电池必将具有高能量密度、长循环寿命、低成本、高安全性和绿色环保等显著特征，锂硫和锂空电池均在新能源领域得到规模应用，低成本的钠离子电池和镁二次电池相继出现，并很有可能出现终极电池——锂氟二次电池。

图2　柔性电池

电池的结构也将发生大幅度变化，不久的将来，适用于可穿戴设备的薄膜电池和柔性电池、具有高安全性的固态电池，以及智能电池在可穿戴设备、新能源汽车、规模储能等领域随处可见。

图3　传统电池与高安全固态电池对比