最佳電極元素——鋰
鋰（Li）是智慧手機、膝上型電腦及電動汽車等產品不可缺少的元素，它們使用的電池都是鋰離子電池。
鋰離子電池是一種二次電池（蓄電池），可以反覆充電，長期使用。放電時，鋰離子從負極向正極移動，從而產生電流。離子是指原子失去或得到電子而處於帶正電或負電的狀態。從外部向電池加電壓（充電）時，移到正極的鋰離子可返回負極，再次處於可放電的狀態。
電池主要利用負極材料與正極材料“釋放電子的難易程度差異”來產生電。容易釋放電子的材料用作負極，容易接收電子的材料用作正極。負極釋放電子的難度與正極接收電子的難度差異越大，電池的動力（電壓）越大。
鋰離子電池的工作原理
鋰離子電池主要依靠鋰離子（Li
+
）從負極移到正極來產生電。
最初，鋰嵌在負極層狀碳的空隙中。用導線連線正負極後，鋰釋放出電子，變成鋰離子，穿過隔膜
向正極移動，在正極被層狀結構的鈷酸鋰“捕獲”。充電時的反應與此完全相反。
鋰本身不用作負極材料，但是其混在碳中，實質上起到了負極的作用。
釋放電子的難易程度（離子化傾向）取決於元素的種類。鋰是所有元素中最容易釋放電子（離子化傾向大）的元素，用作電池負極時，電壓最高。此外，鋰還是最輕的金屬元素，原子較小，是實現電池小型化與輕便化的最佳元素。
乍一聽，鋰好像是製作電池的最佳材料，不過，它也有一個致命的缺點。鋰是一種鹼金屬元素，很容易與其他物質發生反應，例如遇水後迅速生成氫，並釋放出熱量，因此，如何應用是一個令研究人員倍感頭疼的大難題。
不過，鋰離子電池成功地解決了這一難題，不僅降低了鋰的高反應性，而且提高了其釋放電子的能力。
可以用鈉取代鋰
除了高反應性這一問題，鋰用作電池時還面臨著其他問題。鋰在地殼中的自然儲量，在所有元素中名列第31位，相對較多，還稱不上是真正的稀有元素。但問題在於鋰的產地很少，只有智利、玻利維亞等地域。如果這些產地因某些原因中斷供應的話，全球將一下子陷入鋰資源缺乏的困境。鈉在海水中的濃度很高，而且產地非常廣泛。如果能用鈉取代鋰的話，完全可以消除人們對鋰供應不足的擔心。
在週期表中，鈉位於鋰的下一行，兩者都屬於第1族的鹼金屬元素，性質非常相似。雖然鈉的離子化傾向比鋰稍低（電池的電壓稍微變低），但是並不妨礙其用作電極。因此，按照與鋰離子電池基本相同的機制，就可以生產出鈉離子電池。
鈉的“缺點”也是其“優點”
鈉比鋰重（原子量大約為鋰的3倍），離子也較大（體積大約為鋰的2倍），因此，在電池的小型化與輕便化方面，鈉離子電池處於劣勢。
不過，任何事物都有其兩面性。儘管鈉原子（離子）較大，但它也有大的優點。鈉離子在電池溶液（電解液）中的移動速度比鋰離子快，因此，鈉離子電池能夠比鋰離子電池更快地充電和放電。
將來，或許可以根據用途分別應用
將來，或許可以根據用途而選擇不同的電池。例如，需要小型且電壓高的電池時，可以使用鋰離子電池。不介意體積稍大、電壓稍低，但是需要快速充電和放電時，可以使用鈉離子電池。研究認為，鈉離子電池適合用作風力發電或太陽能發電的蓄電池等。
一旦鋰的供應出現問題，鈉離子電池的迫切性將急劇提升。目前，鈉離子電池的技術已經基本完善，但是，在不同溫度下的特性變化以及最佳充電方法等問題尚需進一步驗證。
節選自《科學世界》
2016年第12期
