第七章：锂离子和其他电池化学

在本章中，我们将对目前用于储能系统（ess）的许多电池的化学物质类型、形状因素及其益处和挑战有一个基本的了解。我们将简要回顾其他一些正在或已经在各种应用中使用的化学物质，包括铅酸、镍氢（NiMh）、金属氯化镍、硫钠、氯化钠等。然而，主要的重点将放在许多不同的锂离子化学物质上，这些化学物质要么是今天使用的，要么是为未来的应用而开发的。

电池通常分为两类：一次电池或二次电池。一般的区别在于电池是否可充电。原电池是不能充电的；它们是一次性电池，放电后必须丢弃。许多家用设备中使用的简单碱性电池就是其中的例子。二次电池是可充电的多用途电池，可以再次充电。可充电电池的寿命或使用时间取决于其化学成分和操作特性。有些电池可以充放电数百次；有的可以充放电上千次。

在我们开始分解电池的定义之前，我们应该对组成电池的不同组件有一个基本的了解。虽然这在某种程度上是简化的，但实际上构成电池的主要组件有五个。阴极是电池的“正”部分，由某种衬底组成，衬底上涂有活性物质。在锂离子电池中，衬底通常是一层非常薄的铝膜。阳极是电池单元的“负”部分，通常由薄的铜衬底组成，衬底上涂有活性阳极材料。在这两半之间是一层“隔膜”材料，可以防止两半接触并产生短路。这三个组件被组装在一起形成电极，并被缠绕或堆叠形成所谓的jellyroll。锂离子电池的第四个组成部分是外壳，通常是一个罐子或袋子，水母卷被插入其中。它的形式可能是金属罐、塑料外壳，也可能是聚合物型“袋子”。一旦这一步完成，第五种元素被添加到混合物中——电解质。电解质是允许离子在电池内来回传递的介质。电池单元中还可能包含许多其他部件，例如电流中断装置（CID）或可复位热保险丝的正热系数（PTC）。但并不是所有的电池类型或化学成分都包含这些。

接下来我们要做的是明确定义什么是电池，以及它与其他类型的储能有何不同。最简单地说，电池是一种电化学的存储手段通过将化学能转化为电能来运作的能量。Linden和Reddy（LindenandReddy,2011,p.1.3）将电池定义为：一种通过电化学氧化还原（氧化还原）反应将其活性物质中所含的化学能直接转化为电能的装置。从本质上讲，Linden和Reddy（2011）的定义意味着当电流施加到电池上时，电池内部的阳极和阴极之间发生化学反应，锂离子（阴离子）通过电解质在阳极和阴极之间流动，从而产生电流，该电流可以转换为“功”（功率）用于各种应用。这种电池在能量存储解决方案中是独一无二的，因为它既能产生能量，又能将能量存储在同一个设备中。这使得电池在能量存储应用中有些独特，几乎所有其他应用都在其他地方产生能量，而存储设备只做这一点，存储能量。例如，液态汽油和柴油、压缩天然气、液态丙烷气、压缩水力、压缩空气和其他类似的技术都是在一个地方产生能量，然后储存在另一个地方，并用于在另一个地方发电的例子。例如，在内燃机中，汽油被储存在油箱中，然后被泵入燃油喷射装置（或化油器），然后在那里燃烧产生能量（动力）来移动汽缸。

不同类型的电池具有不同的性能特征，因此适用于不同类型的应用。在表1非锂基化学中，比较了几种最常见的非锂基化学类型。该表并非包罗万象，但很好地总结了ESSs中正在使用的一些主要非锂化学物质。例如，传统的铅酸提供了最短的循环寿命和最低的能量密度，但也提供了最低的成本。二次电池化学物质，如铅酸、镍镉（NiCd）、镍氢、硫钠和氯化镍钠，在许多早期的汽车电气化尝试中都被使用过。事实上，今天镍氢仍然是最畅销的混合动力电动汽车（hev）电池化学物质。在接下来的章节中，我们将对这些化学物质进行更详细的简要介绍。