談到二次電池，或許會有些人疑惑這個名稱的由來。它其實就是指可再次充電、重復利用的電池，又稱充電電池或蓄電池，更準確的概念則是“在電池放電后可通過充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池”。

二次電池與我們的生活息息相關(guān)，正因它們的存在，我們的手機、電腦、電動車等諸多設備才能為我們持續(xù)提供服務。目前，市場技術(shù)的二次電池以鋰離子電池技術(shù)最為成熟，其循環(huán)穩(wěn)定性及續(xù)航性能都已經(jīng)過市場多年考驗。除此以外常用的還有鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，此外高溫鈉硫電池，鋅溴液流電池等常在大型儲能體系中應用。

但在日益增長的需求下，人們對鋰離子電池的能量密度、功率密度以及成本做出了更高的要求。有些研究者選擇針對鋰離子電池的正極材料、負極材料等方面進行優(yōu)化，有些研究者則選擇了另開賽道，開發(fā)新型二次電池，如鈉離子電池、鋁離子電池、鋰硫電池等，它們對比現(xiàn)下主流的二次電池有什么優(yōu)勢呢？接下來一起看看。

一、鈉離子電池

上個世紀80年代起，鈉離子電池與鋰離子電池的概念幾乎同時被提出。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池也極其相似，在充電過程中，鈉離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液嵌入到負極材料中，同時電子通過外電路轉(zhuǎn)移到負極以維持電荷平衡；而放電時則完全相反。理論上講，可以將鈉離子電池的充電時間縮短至鋰離子電池的1/5。不過，為了適應鈉離子電池，正極材料、負極材料和電解液等相對于鋰離子電池都要作出相應的改變。

優(yōu)勢：

鈉離子電池的優(yōu)勢，簡單來說就是：成本更低。因為鈉資源比起鋰更加豐富，它在地殼元素中儲量約占2.64%，且鈉元素的獲取方法也非常簡單，相對于鋰的資源短缺和價格高昂（近年碳酸鋰的價格高漲），鈉離子電池將具有更大的成本優(yōu)勢。

碳酸鋰價格走勢（數(shù)據(jù)來源：公開資料）

除此之外，由于鈉不會與鋁箔發(fā)生反應，因此鈉離子電池可以采用較為便宜的鋁集流體來降低成本。可構(gòu)造雙極性鈉離子電池，即將正極和負極材料涂布在同一張鋁箔，極片在固體電解質(zhì)的隔離下可進行周期性堆疊。相同的電極材料組成的對稱鈉離子電池可以抑制電極材料的巨大體積膨脹，實現(xiàn)更高電壓，極大的降低制造成本，增強電極材料的穩(wěn)定性和安全性。

雙極型電池結(jié)構(gòu)的體積優(yōu)勢與成本優(yōu)勢

缺點：

但同時，鈉離子電池也有較為突出的缺點亟待解決，如鈉離子半徑較大，其在電極材料中進行脫嵌時可能會導致材料的破裂，從而影響電池的整體動力學性能和電極完整性。對比于鋰，鈉具有更高的標準電極電位，導致鈉離子電池的能量密度較低。

總結(jié)：

雖然目前鈉離子電池的能量密度尚不能和鋰離子電池媲美，但近年來由于成本優(yōu)勢，鈉離子電池形勢依舊不錯。在一些能量密度要求不高的領(lǐng)域，以及電網(wǎng)儲能、調(diào)峰，風力發(fā)電，太陽能發(fā)電等儲能領(lǐng)域都很有前景，或?qū)⒃诟黝惖退匐妱榆囍械玫綉茫c鋰離子電池形成優(yōu)勢互補。

二、鉀離子電池

近幾年，鉀離子電池亦開始備受關(guān)注。鉀元素，與鋰、鈉元素處于同一主族，也是堿金屬兄弟之一，與鈉一樣具有廣泛的來源和豐富的儲量，同時與鋰、鈉元素的物理化學性質(zhì)也極其相似。

鋰、鈉、鉀的對比

優(yōu)勢：

與鈉元素相比，K/K⁺的標準平衡電位(-2.93 V)更接近于Li/Li⁺(-3.04 V)，比Na/Na⁺(-2.72 V)更低，使得鉀離子電池在輸出電壓和能量密度方面相對鈉離子電池具有潛在優(yōu)勢。另外，由于K⁺的路易斯酸度比Li⁺和Na⁺都更弱，也使得K⁺在電解液中不易與陰離子結(jié)合，因而往往具有更快的遷移速率，這或可促使鉀離子電池發(fā)揮出更加優(yōu)異的倍率性能。另外鉀不會與鋁形成合金，因此同樣可以使用更便宜的鋁箔作為正負極集流體。

缺點：

不過，鉀離子相對具有較大的離子半徑，使得其在電極材料中的遷移受到更多阻礙。由于石墨材料層間距不足，即使在鋰離子電池中，其也不能滿足鋰離子的快速遷移。因此對于離子半徑更大的鉀離子，石墨負極顯然無法提供足夠大的遷移通道。研究表明，只有當石墨碳層間距擴展到0.38 nm以上，才可能使得鉀離子在其中遷移成為可能。

總結(jié)：

發(fā)展高倍率性能的鉀離子電池負極材料是提高鉀離電池能量密度和推進其應用的關(guān)鍵所在。

三、鋁離子電池

鋁離子電池也是目前研究人員的一個關(guān)注熱點，它是一種以金屬鋁為對電極，鋁鹽離子液體溶液為電解質(zhì)的新型電化學儲能器件，具有資源豐富、成本低及安全性高等優(yōu)點。由于鋁金屬的成本較低，且不易燃燒，同時具有很高電荷存儲能力，因而一直都是頗具吸引力的潛在電極材料。

進展：

但可惜的是，雖然研究人員在過去幾十年中一直希望研發(fā)出可商業(yè)化的鋁離子電池，但至今似乎沒有成功商業(yè)化的例子。目前正極材料是鋁離子電池中受關(guān)注度最高的，鑒于其放電電壓平臺比較高，因此通過各種方法提高碳材料的比容量從而提高碳基鋁離子電池的能量密度是具有潛力的。以目前的研究結(jié)果看來，提高碳材料的比表面積，使用非金屬元素摻雜以及降低嵌入型石墨材料的階數(shù)都能夠有效提高碳材料的比容量；而負極則是直接使用金屬鋁是最佳的選擇，這是由于金屬鋁具有較高的理論比容量、安全性和低廉的成本。但鋁負極仍然需要進一步的優(yōu)化，例如表界面的修飾以及體相多孔化等。

總結(jié)：

業(yè)界認為，鋁離子電池依然具有很大的發(fā)展空間，但這需要對電池的各個部分進行優(yōu)化才能夠使其可以與鋰離子電池競爭。

四、鋰硫電池

鋰硫電池是一種新型的二次電池，以單質(zhì)硫為正極，金屬鋰為負極，是一種非常具有應用前景的鋰金屬電池。鋰硫電池的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，是電化學機理。鋰硫電池以硫為正極反應物質(zhì)，以鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。

鋰硫電池工作原理

優(yōu)勢：

鋰硫電池具有很高的能量密度，理論比容量可達1675 m Ah g^-1，這遠高于目前廣泛應用的以鈷酸鋰為正極的鋰離子電池電池容量（<200 mAh g^-1）。單質(zhì)硫?qū)Νh(huán)境非常友好，幾乎沒有污染，更加環(huán)保。且其在地殼中含量豐富，遠超稀有金屬鈷、錳和鎳，成本較低，因此在儲能方面有非常大的發(fā)展前景。

缺點：

鋰硫電池目前存在三個主要問題：1、硫很容易與電解液發(fā)生反應產(chǎn)生多硫化合物，而多硫化物易溶于電解液造成活性硫損失；2、正極硫?qū)щ娦圆顕乐刈璧K電子轉(zhuǎn)移過程，不利于電池的高倍率性能；3、硫在充放電過程中體積變化非常大，可能造成活性物質(zhì)的脫落和電池的損壞。

總結(jié)：

鋰硫電池要想商業(yè)化，以上問題都需要盡快解決。目前業(yè)界認為，開發(fā)和制備新型硫正極材料將會是實現(xiàn)高效儲能鋰硫電池的有效途徑之一，如中國科學院青島生物能源與過程研究所的研究員就有利用具有高比表面和多級孔結(jié)構(gòu)的活性炭（AC）作為載體，再通過硒（Se）和碲（Te）取代部分硫（S）制作出性能更優(yōu)異的正極材料。

S-Se-Te三元復合正極材料物相形貌

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