最佳电极元素——锂

锂（Li）是智能手机、笔记本电脑及电动汽车等产品不可缺少的元素，它们使用的电池都是锂离子电池。

锂离子电池是一种二次电池（蓄电池），可以反复充电，长期使用。放电时，锂离子从负极向正极移动，从而产生电流。离子是指原子失去或得到电子而处于带正电或负电的状态。从外部向电池加电压（充电）时，移到正极的锂离子可返回负极，再次处于可放电的状态。

电池主要利用负极材料与正极材料“释放电子的难易程度差异”来产生电。容易释放电子的材料用作负极，容易接收电子的材料用作正极。负极释放电子的难度与正极接收电子的难度差异越大，电池的动力（电压）越大。

锂离子电池的工作原理

锂离子电池主要依靠锂离子（Li⁺）从负极移到正极来产生电。最初，锂嵌在负极层状碳的空隙中。用导线连接正负极后，锂释放出电子，变成锂离子，穿过隔膜向正极移动，在正极被层状结构的钴酸锂“捕获”。充电时的反应与此完全相反。锂本身不用作负极材料，但是其混在碳中，实质上起到了负极的作用。

释放电子的难易程度（离子化倾向）取决于元素的种类。锂是所有元素中最容易释放电子（离子化倾向大）的元素，用作电池负极时，电压最高。此外，锂还是最轻的金属元素，原子较小，是实现电池小型化与轻便化的最佳元素。

乍一听，锂好像是制作电池的最佳材料，不过，它也有一个致命的缺点。锂是一种碱金属元素，很容易与其他物质发生反应，例如遇水后迅速生成氢，并释放出热量，因此，如何应用是一个令研究人员倍感头疼的大难题。

不过，锂离子电池成功地解决了这一难题，不仅降低了锂的高反应性，而且提高了其释放电子的能力。

可以用钠取代锂

除了高反应性这一问题，锂用作电池时还面临着其他问题。锂在地壳中的自然储量，在所有元素中名列第31位，相对较多，还称不上是真正的稀有元素。但问题在于锂的产地很少，只有智利、玻利维亚等地域。如果这些产地因某些原因中断供应的话，全球将一下子陷入锂资源缺乏的困境。钠在海水中的浓度很高，而且产地非常广泛。如果能用钠取代锂的话，完全可以消除人们对锂供应不足的担心。

在周期表中，钠位于锂的下一行，两者都属于第1族的碱金属元素，性质非常相似。虽然钠的离子化倾向比锂稍低（电池的电压稍微变低），但是并不妨碍其用作电极。因此，按照与锂离子电池基本相同的机制，就可以生产出钠离子电池。

钠的“缺点”也是其“优点”

钠比锂重（原子量大约为锂的3倍），离子也较大（体积大约为锂的2倍），因此，在电池的小型化与轻便化方面，钠离子电池处于劣势。

不过，任何事物都有其两面性。尽管钠原子（离子）较大，但它也有大的优点。钠离子在电池溶液（电解液）中的移动速度比锂离子快，因此，钠离子电池能够比锂离子电池更快地充电和放电。

将来，或许可以根据用途分别应用

将来，或许可以根据用途而选择不同的电池。例如，需要小型且电压高的电池时，可以使用锂离子电池。不介意体积稍大、电压稍低，但是需要快速充电和放电时，可以使用钠离子电池。研究认为，钠离子电池适合用作风力发电或太阳能发电的蓄电池等。

一旦锂的供应出现问题，钠离子电池的迫切性将急剧提升。目前，钠离子电池的技术已经基本完善，但是，在不同温度下的特性变化以及最佳充电方法等问题尚需进一步验证。

节选自《科学世界》2016年第12期

什么元素可以取代锂作为电池材料？