锂系电池的分类与前沿应用

总结：锂系电池以其优异的能量密度和高工作电压，已成为现代便携式电子设备与电动交通工具的核心动力源。随着技术进步，锂离子电池、锂聚合物电池和锂金属电池等传统体系不断优化，而锂硫电池与锂空气电池等新型体系凭借极高的理论容量与环境友好性，成为下一代储能技术的研究热点。

当前，这些电池在安全性、循环寿命和能量密度等方面均面临各自的挑战，但创新材料设计与工程手段正带来突破。

全面了解各类锂系电池的原理、性能特点与最新进展，不仅有助于把握能源技术的前沿动态，也为新一代高效储能器件的开发提供理论依据与实践参考。

凭借高能量密度锂在元素周期表中位于金属之首，具有极轻的质量和极活泼的化学性质，使其成为高性能电池的理想材料。锂基电池和高电压，在便携电子设备和电动车辆中得到广泛应用。

本文首先介绍常见的锂系电池类型及其特点，包括锂离子电池、锂聚合物电池和锂金属电池等，然后重点探讨两种前沿电池技术——锂硫电池和锂空气电池的原理、优缺点、最新研究进展、所面临的挑战以及未来发展趋势。

锂离子电池是目前应用最广泛的可充电电池类型，其正极通常由含锂的过渡金属氧化物（如LiCoO₂、LiFePO₄等）构成，负极为石墨等碳材料，中间采用有机液体电解质和微孔隔膜。

充放电过程中，锂离子在正负极之间往返嵌入与脱出，而金属锂本身并不以游离态存在。这种“摇椅式”机理避免了金属锂枝晶的生成，大幅提高了电池的安全性和可充放循环能力。

锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长等突出优点。其质量能量密度已达到约300Wh/kg左右的水平，在商业电池中名列前茅。单体标称电压约3.6–3.7V，比铅酸、镍氢等电池高出数倍。

此外，锂离子电池不存在记忆效应，自放电率低，维护需求少，对于便携式和车载应用十分理想。锂离子电池的缺点主要是对安全性要求高：有机电解液易燃，过充过放可能导致热失控，因此需要严密的电池管理系统和安全设计。总体而言，由于性能均衡且技术成熟，锂离子电池目前占据了绝大部分市场份额，被广泛用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。

DOI: 10.1039/d3ra00183k

锂聚合物电池本质上是锂离子电池的一个分支，其工作原理同样依赖锂离子的嵌入/脱嵌过程，不同之处在于所使用的电解质形态和电池结构。

传统锂离子电池采用液态电解质，而锂聚合物电池使用凝胶状或固态的聚合物电解质。常用的聚合物例如聚乙二醇(PEO)等，高分子基质中含有锂盐，可以提供足够的离子电导率。

胶态/固态电解质的采用带来了一系列优点：电池不含可流动的液态，有更低的泄漏风险；可以做得更薄、更柔性，适应多样化的外形需求；并且省去了沉重的金属外壳，采用铝塑复合膜封装，从而减轻重量（据报道可降低约20%的重量）。因此，锂聚合物电池特别适合应用在手机、平板等对体积和重量敏感的设备中。

需要指出的是，锂聚合物电池仍然是一种锂离子二次电池，与一般液态锂离子电池相比其能量密度和功率密度相当或略有提升，只是内部材料形态不同而已。

早期的锂聚合物电池曾存在内阻偏大、容量略低的问题，但随着材料技术进步，如今其循环寿命和性能已接近甚至优于传统锂离子电池，可达到数百至上千次循环寿命（容量保持80%以上）。

总体来说，锂聚合物电池将成为锂离子电池的主要形态之一，在消费电子领域已经几乎全面取代传统钢壳电池。

DOI: 10.1002/adsu.202100464

“锂金属电池”通常特指以金属锂作为负极的电池体系。这类电池大多为一次电池（不可充电），典型代表包括锂-二氧化锰电池（3V纽扣电池）、锂-亚硫酰氯电池（3.6V，工业用长寿命电池）等。

锂金属负极具有极高的理论比容量（约3860mAh/g，是石墨负极的十倍以上），因此锂金属电池往往拥有远超其他类型电池的能量密度。例如，锂-亚硫酰氯（Li-SOCl₂）一次电池的重量能量密度可达700Wh/kg左右，在所有化学电池中名列前茅；

其3.6V的高电压在放电过程中几乎保持恒定，也是该体系的一大特点。此外，锂一次电池自放电率极低（每年不到1%），储存寿命长，在低温环境下仍能输出稳定电压，因此被广泛用于军事、航天和野外探测等需要长寿命电源的场合。

需要注意的是，由于金属锂高度活泼，锂金属电池通常不作为可充电电池使用。早期在充电型锂金属电池上的尝试因反复充放时锂枝晶的生长导致内短路和安全事故而告终。

这一教训直接催生了锂离子电池的发明，通过使用石墨等材料嵌锂来避免纯锂的沉积。然而，使用锂金属负极来构建新一代可充电电池仍是当前电池研究的热点之一。

如果能找到抑制枝晶生长和副反应的方法（例如采用高稳固界面的固态电解质），则可充分发挥锂金属的极高容量优势，大幅提升二次电池的能量密度。

近年兴起的全固态锂电池即是这方面的重要方向：用固体电解质取代易燃液体，既提高安全性又允许锂负极直接使用。

目前一些初创公司和科研团队已研制出原型电池，实现了一定循环寿命下比传统锂离子电池高出20%以上的能量密度。可以预见，随着固态电解质及锂负极保护技术的成熟，锂金属电池有望重新进入可充电电池的行列，为高比能储能领域带来革命性影响。

锂硫电池是一种极具潜力的新型二次电池体系，被视为下一代高能量密度电池的候选之一。它通常由金属锂负极和硫正极组成，中间为有机电解液（常用醚类）和多孔隔膜。

其放电反应大致为：S₈+16Li→8Li₂S，产物为硫化锂固体。得益于硫元素异常高的理论比容量（1675mAh/g）和生成Li₂S所涉及的高反应焓，锂硫电池的理论能量密度可达≈2600Wh/kg，远超现有锂离子电池；即使考虑各组成部分，单体电池实现500Wh/kg也是有望的。

同时，硫资源丰富且价格低廉，是石油炼制的副产物，使用硫作为正极材料具有成本和环保优势。基于这些优点，锂硫电池近年来受到科研界和产业界的高度关注，被寄予厚望。

DOI: 10.1038/s41467-025-60528-4

然而，目前锂硫电池还未走出实验室，一个主要原因是其存在诸多技术挑战。概括来说，锂硫电池的瓶颈包括：

正极活性物质导电性差：单质硫以及放电产物Li₂S均为电的绝缘体，活性物质利用率和倍率性能受到限制，需要额外添加导电碳以形成导电网络。

“穿梭效应”：硫在放电中间产物为多硫化物（Li₂S_n,4≤n≤8），它们可溶于有机电解液并扩散到负极，与锂反应又迁移回正极。这样的循环造成活性硫逐渐流失，自放电增加，严重时正负极间发生难以逆转的副反应。这就是著名的多硫化物穿梭效应，直接导致容量衰减和库伦效率下降。

体积变化大：硫在充放电过程中从S₈转化为Li₂S，体积增加约80%。如此剧烈的膨胀/收缩会引起正极结构粉化和电极/集流体界面接触不良，影响循环稳定性。

锂负极问题：金属锂负极一方面在多硫化物存在下发生副反应消耗锂和电解液，另一方面本身易形成枝晶导致短路风险。反复充放还会在锂表面形成不稳定的固态电解质界面(SEI)，加速容量衰减。

以上因素使得未经过改进的锂硫电池往往循环寿命不佳：在高硫载量下充放几十次容量即明显衰减，这与商业应用所需的数百乃至上千次循环寿命相去甚远。为了解决这些问题，近年来研究者提出了多种创新策略，重点围绕以下几个方向展开：

导电多孔正极载体：在硫正极中引入高导电率、孔隙结构丰富的基体来“承载”硫，例如介孔碳、石墨烯、有机框架(MOF)等。研究显示，将硫浸入多孔导电材料中制成复合正极，可提供电子导通网络并物理吸附多硫化物，显著缓解硫的绝缘性和穿梭效应。统计分析表明，近年近40%的锂硫电池论文都集中在开发此类功能化硫正极材料。

功能化隔膜/中间层：在正极与隔膜之间增加一层具有催化和吸附功能的材料（如锂盐改性的碳中间层、过渡金属化合物涂层等），可以拦截穿梭的多硫化物并加速其在正极侧的转化，减少向负极的逸散。

电解液优化：采用高浓度电解液、添加锂盐或添加剂（如LiNO₃、有机硫添加剂等）来抑制多硫化物的溶解和副反应。同时控制电解液用量（降低E/S比）以提高能量密度，但需权衡离子传导和反应充分性。

锂负极保护：给锂负极添加保护涂层或使用预锂化的合金负极，甚至引入人工SEI膜，降低锂表面与多硫化物和电解液的直接接触。此外，也有研究用锂硫全固态电池（固态电解质替代液态电解质）从根本上隔绝多硫化物，并防止锂枝晶。

经过上述多方面的改进，锂硫电池的性能有了明显提升。一些研究报道在中等硫载量下循环数百次仍可保持较高容量，例如对硫正极采用特殊多孔碳胶体涂层后，电池在100次循环后仍保持初始容量的85%以上。

还有团队开发柔性封装的锂硫电池，在反复折叠和剪切后依然能够点亮LED，展示了优异的稳健性。在能量密度方面，已有实验单体超过400Wh/kg的报道，接近锂离子电池能量密度的两倍。

尽管距离实际应用的目标（>500Wh/kg和至少数百循环寿命）仍有差距，但这些进展无疑为锂硫电池的商业化奠定了基础。

锂硫电池的未来前景是值得期待的。如果上述挑战能够被逐一攻克，锂硫电池有望以其低成本、高比能和环境友好的优势，在电动航空航天、长续航电动车等领域崭露头角。

特别是在对重量敏感的场合（如高空无人机、电动飞机），锂硫电池的高比能量将带来革命性的变化。目前包括我国在内的多家科研机构和公司都在加紧推进锂硫电池的中试开发，我们或许在不远的将来就会见到搭载锂硫电池的新型装备问世。

锂空气电池是一种利用环境中的氧气参与反应的金属空气电池，其中负极为金属锂，正极为多孔空气电极（通常含有催化剂的碳材料），通过氧气的不断供给维持反应。

简单来说，放电时锂金属被氧化，锂离子通过电解质迁移到正极，与氧气结合生成锂的氧化物（如过氧化锂L₂O₂或氧化锂Li₂O），并释放出电能；充电时则发生相反的反应，固体产物分解重新释放出氧气。

由于氧气无需存储在电池内部，锂空气电池将正极活性物质的重量降到了最低，理论上可以达到极高的比能量——据估算，其理论能量密度高达3500Wh/kg，远高于锂离子电池（约460Wh/kg）的理论极限。换言之，锂空气电池有潜力实现接近汽油燃烧的储能密度，被认为是终极电池技术之一。

除了高能量优势外，锂空气电池的反应物主要是锂和氧，两者都相对廉价且地球储量丰富，这意味着材料成本低，有研究指出其制造成本有望降至同等容量锂离子电池的十分之一。

同时，由于不含重金属等有害成分，锂空气电池对环境友好，且理论上设计简单（仅由金属负极、空气正极和电解质构成），这些特点使其前景备受看好。然而，锂空气电池目前仍处于实验室研究阶段，其实现商业化面临一系列严峻挑战：

反应产物的沉积与孔堵：放电生成的Li₂O₂等固态产物会沉积在正极孔道内，逐渐堵塞气体通道并覆盖催化剂表面，导致反应难以继续进行，容量迅速衰减。这一问题限制了锂空气电池的实际放电容量和功率输出。

充放电过电位高：锂氧反应在正极的电化学氧还原/析出具有很大的过电位，特别是充电过程中氧化固体过氧化锂需要远高于理论值的电压，造成能量效率低下（往返效率常不足70%）。高过电位还会分解电解质，加剧电池衰减。

副反应和稳定性：锂空气电池的化学环境十分复杂，除了目标反应外，还存在多种副反应。例如，放电中间产物超氧自由基（O₂^–）具有强化学活性，容易攻击有机电解液和碳正极，生成惰性的副产物（如碳酸锂、锂羟基等）沉积在电极表面。这些副产物不可逆地消耗活性物质并增加电阻，使电池寿命大大缩短。

环境气体影响：空气中的水分和二氧化碳会与金属锂或中间产物反应，产生如氢氧化锂、碳酸锂等不良产物，严重破坏电池循环。因此实际应用中必须对空气进行净化（除湿除CO₂）甚至采用纯氧，这增加了系统的复杂度。

锂负极的问题：一方面，金属锂在有氧环境下容易被氧化或与杂质反应，需要可靠的隔膜或固态电解质将其与氧气隔开；另一方面，锂负极在反复沉积/溶解过程中仍可能长出枝晶刺穿隔膜，引发短路风险。负极材料的安全稳定也是一大挑战。

受上述因素影响，过去实验室中的锂空气电池往往只能运行极少的充放电循环就性能衰减殆尽，且实际可输出的容量和能量密度远达不到理论值。因此，实现可充且长寿命的锂空气电池被视为电化学领域最具挑战的课题之一。

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00545

为攻克锂空气电池的瓶颈，科研人员提出并验证了多种改进思路，包括：

高效催化剂：开发针对氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的催化剂，以降低过电位。例如负载纳米尺度的贵金属或过渡金属氧化物催化剂，或设计双功能催化剂，提高充放电反应速率。有研究采用钯-钼双金属超薄纳米片作为催化剂，在碱性体系中显著提高了锂空气电池的动力学性能。

红氧介质（Redox Mediators）：在电解液中引入可溶性的氧化还原中介剂，在充放电时充当电子和离子传输的“桥梁”，以化学途径帮助分解/形成Li₂O₂，从而降低过电位和减少电极表面副反应。例如添加醌类、碘离子等中介，可以明显提高容量和效率。

电解液与添加剂：研发稳定性更高的电解液配方，如不含易分解基团的离子液体、电解质添加剂捕捉中间产物等。另外，采用双电解质体系（正极用有机/离子液体电解质，负极用锂稳定的固体电解质）也被提出以兼顾正负极需要。

隔膜与保护层：在正极一侧增加选择性氧气扩散膜或杂质过滤膜，阻挡CO₂、H₂O等有害气体进入电池内部。同时，在锂负极表面加涂一层人工保护层或采用固态电解质隔板，将金属锂与电解液隔离，防止副反应发生。

经过不懈努力，近年来锂空气电池研究取得了令人瞩目的突破。

一项由美国阿贡国家实验室等机构合作的最新研究设计出全固态锂空气电池：采用固态复合电解质（陶瓷纳米颗粒+聚合物基质）取代传统液态电解质，并在正极使用特殊催化剂，实现了在室温下以四电子反应生成氧化锂（Li₂O）的全新化学机制。

这一电池在实验中成功充放超过1000次循环，且推算能量密度可达1200 Wh/kg，约为当前锂离子电池的四倍。这是锂空气电池领域的重大进展，因为此前大多数研究仅实现过1电子或2电子的反应过程（产物为LiO₂或Li₂O₂)，循环寿命也普遍很短。

固态电解质的运用不仅抑制了副反应和枝晶生长，还显著提高了电池的安全性，证明了锂空气电池在室温可逆运行的可行性。这一成果发表在2023年的《Science》上，引起了广泛关注，被认为是朝实用锂空气电池迈出的关键一步。

展望未来，锂空气电池如果要走向实用化，仍需要在催化剂性能、循环稳定性、系统设计等方面持续攻关。例如，开发更廉价高效的催化剂以替代贵金属、优化电极结构缓解产物堆积、设计合理的氧气供应和管理系统等。同时，如何简化空气净化和管理也是工程实现的难点。

但可以预见的是，一旦锂空气电池技术取得突破，将可能彻底改变能源储存版图：电动汽车的续航将大幅提升，电网储能也将获得一种高能量密度且成本低廉的解决方案。正因为此，全球众多研究团队正投入其中。

总的来说，锂空气电池代表了电化学储能的“终极梦想”之一，尽管前路漫长，但其巨大的理论容量和清洁原料使其具有不可忽视的吸引力。

#锂系电池#锂离子电池#锂聚合物电池#锂金属电池#锂硫电池#锂空气电池#能量密度#安全性#循环寿命#储能技术