金属离子电池的化学

当今使用的电池有很多种，其中最著名的一种是锂离子 (Li-ion) 电池。锂离锂离子电池获得2019年诺贝尔化学奖。虽然锂离子电池在现代技术中的重要性不可低估，但实际上它们只是属于金属离子电池类别的众多电池之一，但它们的使用更为广泛，因为它们更高效、更安全。

不同的基本细胞化学

所有金属离子电池都是可充电电池。在谈到金属离子电池的化学时，制造电池涉及到很多材料化学。每个金属离子电池由两个电极（阳极和阴极）、电解质、隔膜和外部电子电路组成。在讨论金属离子电池时，我会想到四个主要例子。最明显的例子是锂离子电池，其他还有铝离子（Al-ion）、钠离子（Na-ion）和锂离子聚合物电池（LiPo）。这四种电池的主要区别在于电极、电解质和作为电池内活性电荷载体的离子的组成。

锂离子电池通常有一个锂基阴极，它可以由氧化锂、层状锂氧化物或聚阴离子材料制成。阳极是碳基的，但这里的材料可能会有很大差异。长期以来的选择是石墨，但最近的发展已经看到使用石墨烯和石墨烯-石墨混合电极以及其他各种碳复合材料作为阳极材料。电解质是液体和锂盐，可有效传输锂离子。电解质是各种有机和非水成分的复杂混合物，例如碳酸亚乙酯（或二亚乙基）与 LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4 或 LiCF3SO3 阴离子盐。锂离子电池是最有效的，因为锂离子可以进入电极，有效地进行电化学反应，并轻松退出电极。这使得电池的充电和放电循环更有效率。

钠离子电池的成分与锂离子电池相差无几，因为两种活性离子都具有一个正电荷。在钠离子电池中，钠离子是电荷载体，阴极是由钠过渡金属氧化物制成的复合材料，阳极通常由无定形碳制成。电解质本质上可以是水性或非水性的，但在锂离子电池中发现的非水性阴离子盐电解质的钠当量是最广泛使用的，NaPF6 是常见的选择。

铝离子电池还没有那么成熟，但显示出很大的前景。他们进行大量研究的主要原因是铝携带三个电荷，而锂只有一个，因此它有可能储存更大的能量。但是铝离子的大量有效电荷使得它们一旦发生电化学反应就更难离开电极，这也是为什么我们还没有看到它们被商业化使用的原因。铝基材料和石墨往往分别构成阳极和阴极，电解质是由氯化铝组成的液体，但所有这些基础领域目前都在开发中，并且可能会随着新研究产生更有效的材料/化学物质而改变物种。

与其他电池不同的是锂聚合物电池，它是传统锂离子电池的一种变体。两个电极都由与锂离子电池相同的材料制成，但电解质是主要区别。电解质不是由非水液体制成，而是由聚合物制成，因此它具有凝胶状（半固体）稠度，但仍具有足够的流动性以传输锂离子。锂聚合物电池中使用的大多数电解质由固体聚合物组成，例如聚（环氧乙烷）（PEO）、聚（丙烯腈）（PAN）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）或聚（偏二氟乙烯）（PVdF） )，它们已分散在有机溶剂中，使其具有所需的凝胶状稠度。

金属离子电池的工作原理

上面我们讨论了用于构建电极的材料和用作电解质的材料。大多数金属离子电池的基本工作机制是相同的，所以举一个例子比讨论所有电池的工作原理更容易。锂离子电池就是最好的例子；但是，对于铝离子和钠离子电池，如果分别用锂离子代替铝离子和钠离子，原理是相同的。应该注意的是，在阳极和阴极发生的特定电化学反应对于所有电池都是不同的。因此，有太多的电化学反应无法详细提及不同的反应。

可充电电池有两种主要机制：充电和放电。充电机制是电池储存能量的过程，而放电是在它释放能量时——例如，当设备打开时。当电池充电时，来自为电池充电的电源的电子与阴极中的锂离子结合。这导致离子通过电解质和隔板移动到阳极，在那里它们通过阳极材料中的分子孔进入 - 这一过程称为嵌入。然后能量以束缚电子的形式储存在阳极内的锂离子中。当装有电池的设备打开时，阳极会发生氧化反应，导致锂离子离开阳极并移动到（并嵌入）阴极。然后释放存储的电子以产生为设备供电的电流。如果电池未被使用或充电，则锂离子会解吸到电极之间的电解质介质中。

结论

大多数金属离子电池的工作方式相似，主要区别在于构成电极和电解质的化学成分，这反过来会影响电池内发生的电化学反应。对于使用不同电解质的相同电池，这些电化学反应也可能不同。在所有不同的金属离子电池中，锂离子电池是最有效的，因为它们可以轻松地在电极之间移动并进行必要的电化学反应，而不会卡在电极的分子孔中。铝电池显示出很大的前景，但在商业使用之前，必须首先解决离开电极的电荷重离子的问题。

审核编辑 黄昊宇