碱金属电池的危与机

（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。

（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。

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。

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。

（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。

（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John B. 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。

（8）碱金属二次电池研究还在继续

锂离子电池的能量密度基本满足了小型电子器件的能源需求，但对于大型能源，其能量密度还是不足，且成本过高。为了进一步提高能量密度，碱金属负极还是需要进一步研究。

相比于钠和钾，锂元素储量相对很低，价格高，因此适合做成对成本不太敏感的小型移动能源电池，如手机，相机，笔记本电脑，甚至电动汽车。

由于钠钾储量高成本低，因此适合对体积和质量不太敏感但对成本更为敏感的大型储能，如电动巴士，与风能太阳能配套的静态储能等。

（9）一个工程学问题：电池中的碱金属否可以保证不泄露

对于碱金属电池的研究，人们的第一感觉就是电池一旦泄露，碱金属就会造成起火和爆炸。设想一个情景：两辆碱金属电池电动汽车在雨天相撞，电池破损，碱金属暴露，遇到水和空气发生爆炸。这种情况会不会发生？概率会有多大？

在此假设情境下，以上所列的现有商业化的技术都是不安全的。但其成功的使用说明：现在的电池密封和管理技术已经可以保证电池泄露是小概率事件。比如Tesla Model S 电动汽车电池组由7104个18650电池组成（如下图），而不是一整个“大电池”， 对每一个小电池的监控使得安全隐患可以被发现在初始单个小电池阶段，从而保证整个电池组的安全。在电池完全密封不会泄露的前提下，碱金属电池的研究只需要确保电池在充电过程中内部不会短路即可。

（10）碱金属电池的危与机

人类历史巨大的进步大多是都是得益于掌握了一些高能但也高危的物质，比如“火”，“电”，“炸药”等等。它们都有着巨大的破坏力，但当人类学会控制了它们以后，人类的生活才得到了巨大的改善。说到这里，好像对碱金属电池太拔高了，这里只是想说明一个态度。碱金属很危险，但有希望做到可控，一旦其充电技术瓶颈得以解决，其定会为新能源时代的到来提供强大的动力。