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【深度】碱金属电池的危与机

北极星储能网  来源:知乎  作者:白深科  2017/4/21 9:53:04  我要投稿  

北极星储能网讯:(1)“高能量”与“高危险”的统一属性

“高能量”与“高危险”几乎是并存的,越高能量的失控就会导致更大的灾难。地球人能够掌握的最高能量莫过于核能。一个核反应堆可持续驱动一艘航母20年而不需补充燃料,但一颗核弹的爆炸及辐射就足可以摧毁一座城市及其里面的生物。由于核能能量太高且具有辐射性,其应用主要存在于军事领域和发电。

对于电池而言,比容量相同前提下,电压高(正极越正,负极越负)则能量高,因此元素周期表中电位最负的碱金属成为了电池负极的选择。虽然其能量与核能不能相提并论,但其仍然会造成很大的危险。电位负意味着碱金属极易失去电子,与氧气和水等发生剧烈反应,燃烧甚至爆炸。

(2)碱金属电池定义

考虑到地壳储量(决定成本)与原子质量(决定比容量),碱金属中只有锂、钠、钾具有考虑价值。因此,碱金属电池一般指电池负极为金属锂、钠、钾、及其合金的电池。根据可否循环充放分为一次电池和二次电池。

(3)碱金属一次电池(只能放电)已普遍使用

虽然危险,但碱金属电池已经普遍存在我们日常生活中,一般为锂金属一次电池,举例如下:

(a)相机闪光灯所用的圆柱状AA锂电池,其拆开后可以看到大量的的锂箔,放入水中剧烈反应(图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=BliWUHSOalU&t=58s)。

(b)心脏起搏器所搭配的“锂-碘”一次性电池,此电池可以在人体内持续供电几年至15年以上,从而免于反复手术更换电池。(图片来源:RelatedKeywords&Suggestions)

锂金属一次电池是一个庞大的家族,根据正极和电解液不同的特性应用在不同的领域,这里不再一一列举。以上两个例子说明碱金属一次性电池在良好的密闭条件下,不与外界接触可以确保是安全的,甚至可以嵌入体内。

(4)碱金属二次电池困难重重(充电过程中枝晶的产生)

电池使用一次就扔掉不仅造成使用成本很高,对环境也造成很大的污染,如果电池放电后可以充电后再次利用,那么成本就会极大的降低也更加环保。但目前碱金属二次电池却鲜有商业化。这是因为在充电过程中,碱金属的不均匀沉积生成枝晶会刺穿隔膜而造成正负极短路,瞬间释放热量,引发电池着火和爆炸。如下图(参考文献[1,2])。

根据碱金属一次电池的普及和二次电池的困难可以看到,碱金属电池在放电时是安全的,充电是需要重点解决的问题。

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