材料化学

锂离子电池、固态电池、锂硫电池

了解锂的可逆储存、电池电压与容量，以及限制液态电解质、固态和锂硫电池的材料与界面。

直觉可充电的化学穿梭

放电时，锂从负极经电解质迁移到正极，而电子通过外电路流动；充电时方向相反。理想电解质导离子、阻电子，以避免内部短路。

观察充放电时锂离子在电解质中的迁移及电子通过外部负载的流动。

定义: 嵌入

常见石墨负极将锂储存在碳层之间；层状过渡金属氧化物或磷酸盐可作正极。实际工作电压由锂化学势差决定，而非仅由材料名称决定。

Q=nF,\qquad E_{\mathrm{cell}}=-\frac{\Delta G}{nF}

例题

解答

Q = F = 96485 C mol⁻¹。由于 1 Ah = 3600 C，故 Q = 26.8 Ah mol⁻¹。

开路电压与每单位转移电荷对应的吉布斯能变化相关。真实电池中电极电势随组成和活度改变，能斯特关系描述其平衡趋势。通电时，欧姆压降、电荷转移动力学和传质造成极化并降低端电压。

固态电解质须兼具实用的 Li⁺ 电导率、电子绝缘性、化学与电化学稳定性，并与多孔电极紧密接触。晶界和界面层可能主导电阻。在许多液态锂硫体系中，硫转化会形成可溶多硫化物中间体，虽理论容量高，却带来穿梭效应和活性物质损失。