金屬鋰的電極電位在所有金屬中最低(-3.05V),放電容量最大。因此,選用金屬鋰作電池負(fù)極可以獲得高電壓和高的比能量。
工業(yè)上以金屬鋰為負(fù)極的一次鋰電池,由于具有工作電壓高,比能量大,使用壽命長,自放電小等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于軍事和小型民用電器如移動(dòng)電話、照相機(jī)、手提電腦等設(shè)備中作移動(dòng)電源。
鋰二次電池是以金屬鋰或鋰鋁合金作負(fù)極,以具有層狀結(jié)構(gòu)的硫化物為正極。二硫化物成為鋰離子嵌入-脫出的電極,金屬鋰自身的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,在充放電循環(huán)過程中,放電反應(yīng)金屬鋰溶解,充電反應(yīng)析出鋰,由于金屬鋰與有機(jī)電解液中的少量水分反應(yīng),在鋰表面會(huì)生成SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜),SEI膜允許鋰離子通過,而不允許溶劑分子通過,對金屬鋰起保護(hù)作用,有利于鋰的化學(xué)穩(wěn)定性。但金屬鋰負(fù)極在充放電過程中容易形成鋰枝晶,刺穿電池隔膜,引起電池內(nèi)部短路,使電池充放電效率降低,循環(huán)壽命縮短,安全性能變差。所以,鋰二次電池至今尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
鋰離子電池是以嵌鋰化合物替代鋰二次電池中的金屬鋰負(fù)極,因此,對正極材料的要求不同于鋰二次電池。首先,正極材料必須選用富含鋰的層狀化合物,該化合物既要提供充放電反應(yīng)過程在正負(fù)極之間嵌入-脫出循環(huán)所需要的鋰,又要提供在負(fù)極表面形成SEI膜所需要的鋰;其次,負(fù)極材料(如層狀碳)相對金屬鋰有一定的嵌鋰電位,正極材料必須相對金屬鋰有較高的嵌鋰電位;第三,由于負(fù)極(如碳)的比容量(約320mAh•g-1)較大,為保證電池的循環(huán)壽命等性能,正極材料用量較大。目前,能符合鋰電池高電壓、高比能量、循環(huán)壽命長等性能的正極材料主要有LiCoO2,LiNiO2,LiMnO4等。