新型二次电池优缺点分析

二次电池是指可以充电重复使用的电池，也称为充电电池或蓄电池。目前，锂离子电池技术是市场上最成熟的二次电池技术，其循环稳定性和续航性能已经经过市场多年的考验。此外，常用的还有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。此外，高温钠硫电池和锌溴液流电池常用于大规模储能系统。

 

然而，在日益增长的需求下，人们对锂离子电池的能量密度、功率密度和成本提出了更高的要求。有的研究者选择优化锂离子电池的正极材料和负极材料，有的研究者选择开辟新的赛道开发新型二次电池，如钠离子电池、铝离子电池、锂硫电池等与目前主流的二次电池相比，这些新型二次电池有哪些优势？一起来看看吧。

1、钠离子电池

作为一种新型的二次电池，相比锂电池和钠电池，钠离子电池的工作原理也与锂离子电池非常相似。在充电过程中，钠离子从正极材料中脱出，通过电解液嵌入到负极材料中，同时电子通过外电路转移到负极，维持电荷平衡。

而放电时恰恰相反。理论上，作为二次电池，钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5 。但是，为了适应钠离子电池，与锂离子电池相比，正极材料、负极材料和电解液都必须进行相应的改变。

 

● 优点：

钠离子电池的优点是成本较低。由于钠资源比锂丰富，约占地壳元素的2.64%，而且获取钠的方法也很简单。与锂的资源紧缺和价格高昂相比，钠离子电池将具有更大的成本优势。此外，由于钠不与铝箔发生反应，在二次电池、钠离子电池中可以使用更便宜的铝集流体来降低成本。

可以构建双极钠离子电池，即将正负极材料包覆在同一张铝箔上，极片在固体电解质的隔离下周期性堆叠。由相同电极材料组成的对称型钠离子电池，可以抑制电极材料的巨大体积膨胀，获得更高的电压，大大降低制造成本，增强电极材料的稳定性和安全性。

● 缺点：

二次电池 中的钠离子电池也存在着较为突出的缺点，亟待解决。例如，钠离子半径较大，在电极材料中脱嵌时可能导致材料破裂，从而影响电池的整体动力学性能和电极完整性。与锂相比，钠具有更高的标准电极电位，导致钠离子电池的能量密度较低。

● 总结：

作为二次电池的一种，虽然钠离子电池的能量密度仍无法与锂离子电池相提并论，但由于成本优势，近年来全球钠离子电池企业的发展态势依然良好. 在一些对能量密度要求不高的领域，以及电网储能、调峰、风力发电、太阳能发电等储能领域非常有前景。或者应用在各种低速电动车上，与锂离子电池的优势互补。

2.钾离子电池

近年来，作为新型二次电池的钾离子电池也开始受到关注。钾与锂、钠同属主族，也是碱金属之一。与钠一样，来源广泛，储量丰富，其理化性质也与作为二次电池的锂、钠非常相似。

 

● 优点：

与钠元素相比，K/K+的标准平衡电位（-2.93V）更接近Li/Li+的标准平衡电位（-3.04V），低于Na/Na+的标准平衡电位（-2.72V）。这使得钾离子电池作为新型二次电池 在输出电压和能量密度方面比钠离子电池具有潜在优势。此外，由于K+的Lewis酸性弱于Li+和Na+，K+不易与电解液中的阴离子结合，因此往往具有较快的迁移速率，这可能促使钾离子电池表现出更多优异的倍率性能。此外，钾不与铝形成合金，因此更便宜的铝箔也可用作阴极和阳极集电器。

● 缺点：

然而，与其他二次电池相比，钾离子具有较大的离子半径，这使得其在电极材料中的迁移更加受阻。由于石墨材料的层间距不足，即使在锂离子电池中也不能满足锂离子的快速迁移。因此，对于离子半径较大的钾离子，石墨负极显然不能提供足够大的迁移通道。研究表明，只有当石墨碳层间距扩大到0.38nm以上时，才有可能使钾离子在其中迁移成为可能。

● 总结：

提高钾离子电池在二次电池中的能量密度并促进其应用的关键是开发钾离子电池用高倍率负极材料。

3、铝离子电池

铝离子电池作为一种新型二次电池，也是目前研究者关注的热点。它是一种以金属铝为对电极，以铝盐离子液体溶液为电解质的新型电化学储能装置。具有资源丰富、成本低、安全性高等优点。铝由于其低成本、不可燃性和高电荷存储容量而成为一种有吸引力的潜在电极材料。

 

● 进展：

虽然研究人员在过去几十年一直希望开发商业上可行的铝离子电池作为二次电池，但迄今为止似乎还没有成功的商业化。目前，正极材料是铝离子电池中最受关注的。鉴于其相对较高的放电电压平台，通过各种方法提高碳材料的比容量以提高碳基铝离子电池的能量密度是有潜力的。

根据目前的研究结果，增加碳材料的比表面积、掺杂非金属元素和降低插层石墨材料的层级，可以有效提高碳材料的比容量。正极是直接使用金属铝的最佳选择，这得益于金属铝的理论比容量高、安全、成本低。然而，铝负极仍需要进一步优化，例如表面界面的改性和体相的孔隙率。

● 总结：

业内人士认为，铝离子电池作为一种新型二次电池，还有很大的发展空间，但这需要对电池的各个部分进行优化，才能与锂离子二次电池相抗衡。

4、锂硫电池

锂硫电池是一种以单质硫为阴极，金属锂为阳极的新型二次电池。它是一种非常有前途的锂金属电池。锂硫电池的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，是一种电化学机理。

锂硫电池使用硫作为阴极反应物，锂作为阳极。放电时，阳极反应是锂失去电子变成锂离子，阴极反应是硫与锂离子和电子反应生成硫化物。阴极和阳极反应之间的电位差是二次电池中锂硫电池提供的放电电压。

 

● 优点：

锂硫电池作为一种新型二次电池，能量密度高，理论比容量可达1675mAh g-1，远高于目前广泛使用的锂离子电池容量（<200mAhg-1）氧化钴作为阴极。单质硫对环境非常友好，几乎没有污染，更加环保。并且它在地壳中储量丰富，远远超过稀有金属钴、锰和镍，而且成本低，在储能方面具有很大的发展前景。

● 缺点：

目前锂硫电池主要存在三个问题：

• 硫易与电解液反应生成多硫化物，多硫化物易溶于电解液，导致活性硫流失；
• 正硫导电性差，严重阻碍了电子转移过程，不利于电池的高倍率性能；
• 硫在充放电过程中体积变化很大，可能导致活性物质脱落，损坏电池。

● 总结：

作为二次电池的锂硫电池若要实现商业化，需要尽快解决上述问题。目前，业内认为，开发和制备新型硫正极材料将是实现高效储能锂硫电池的有效途径之一。