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(5)碱金属二次电池的幸存者-高温液态“钠硫电池”
碱金属二次电池商业化进程中唯一一个幸存者就是钠硫高温电池。高温状态下,负极金属钠为熔融液态,因此避免了枝晶的生成,可以安全充电。但由于此电池需要保持300度高温且固态电解质有破损裂缝而正负极短路的潜在危险,它一般仅用于在荒无人烟的地方配合发电厂做大型储能。这种电池现在已设计成远程遥控,基本不需人力维护。(图片来源:日本NGK公司SodiumSulfurBattery)
(6)碱金属二次电池的折中方案:锂离子电池
锂金属负极的技术障碍至今没有解决,但得益于JohnB.Goodenough博士课题组一系列含锂正极(LiCoO2,LiMn2O4,LiFePO4)的发明,锂金属可以不需要作为锂源,而被石墨所取代。充电时,锂离子从正极脱出,移动到负极,得电子并嵌入到石墨层状结构中而不形成枝晶,这很大程度上克服了低电流密度下枝晶的问题(见下图,参考文献[3])。由于此种电池中不含锂金属,而是借助锂离子在正负极来回嵌入脱出实现充放电,因此又称“锂离子电池”,它的诞生引发了无线移动电子技术的革命性发展,彻底的改变了我们的生活方式。但石墨的采用也付出了能量密度降低的代价,而且,在大电流密度下,石墨也有形成枝晶的危险,锂离子快速的嵌入石墨层中,会造成锂金属在石墨层状通道口的“拥堵”,因而在石墨表面形成枝晶。
(7)充电完毕后的石墨与锂金属,谁更安全?
由于“锂离子电池”使用石墨作为负极,“锂金属电池”使用金属锂做负极,第一感觉就是肯定锂离子电池安全。但这样比较是不公平的,石墨是处于放电状态(尚未嵌锂,低能状态),而锂金属是处于充电状态(高能状态)。
锂离子电池使用石墨作为负极进行组装,此时电池处于放电状态,能量最低,因此安全,一旦电池组装并充满电后,锂离子由正极移动到负极并得电子,以几乎“锂原子”的状态嵌入石墨中,形成LiC6,此时为充电状态,应该比较LiC6和金属锂。
如果把充电后的石墨(LiC6)从电池中取出,挥发掉电解液,在空气中抖一抖,就会着火,而金属锂在不遇水的情况下,在空气中只会氧化,反而不会起火。
石墨之所以被选择作为负极,不是因为LiC6本身安全,而使因为石墨的层状结构可以防止锂枝晶的生成。如果金属枝晶问题能够自身解决(比如液态钠硫电池),石墨是完全没有必要的。但目前尚无解决锂枝晶方法。
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