电池和二次电池

电池通过可逆的电极反应储存电能；二次（可充电）电池可以通过外部充电电流逆转这些反应，从而实现反复循环。

Definition

一种通过电极的化学状态储存能量，并通过氧化还原反应以电流形式释放能量的装置；在二次电池中，该反应是可逆的，允许重复充电和放电。

Scope

本主题涵盖电池的工作原理：储存和释放电荷的电极反应，一次（一次性）电池和二次（可充电）电池的区别，嵌入式锂离子电池的结构，容量、能量密度和循环寿命等关键性能指标，以及容量衰减和退化的原因。它涵盖了从经典的铅酸和镍化学电池到现代锂离子系统。

Core questions

• 电极反应如何储存和释放电能？
• 可充电二次电池与一次性原电池有何区别？
• 锂离子嵌入化学如何实现高能量密度？
• 哪些过程导致容量衰减并限制循环寿命？

Key theories

嵌入电化学

在锂离子电池中，锂离子在循环过程中可逆地嵌入和脱出层状或骨架主体电极，在不溶解电极的情况下储存电荷，从而实现长循环寿命和高能量密度。

可逆性和退化

循环寿命取决于电极反应逆转的清洁程度；固体电解质界面生长、锂镀层和结构变化等副反应会消耗活性材料和电解质，导致容量衰减。

Clinical relevance

可充电电池为便携式电子产品、电动汽车、医疗植入物和电网储能提供动力；其能量密度、安全性和寿命对于电气化和可再生能源的部署至关重要，推动了密集的材料研究。

History

普朗特于1859年发明了可充电铅酸电池；惠廷汉姆在1970年代展示了锂嵌入，古迪纳夫在1980年发现了钴酸锂阴极，吉野建造了第一个实用的锂离子电池，该电池于1991年商业化，并获得了2019年诺贝尔化学奖的认可。

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

为什么可充电电池会随着时间推移而失去容量？

重复循环会驱动缓慢的副反应和结构变化——例如固体电解质界面的生长、可循环锂的损失和电极开裂——这些变化会永久性地去除活性材料并增加内阻。

是什么让锂离子电池储存如此多的能量？

锂重量轻，并能提供高电池电压，而嵌入主体使锂离子能够在电极之间可逆地穿梭，结构扰动很小，从而结合了高电压、高容量和长循环寿命。