碱金属电池的优缺点分析

高能量”与“高危险”几乎是并存的，越高能量的失控就会导致更大的灾难。地球人能够掌握的最高能量莫过于核能。一个核反应堆可持续驱动一艘航母20年而不需补充燃料，但一颗核弹的爆炸及辐射就足可以摧毁一座城市及其里面的生物。由于核能能量太高且具有辐射性，其应用主要存在于军事领域和发电。

对于电池而言，比容量相同前提下，电压高（正极越正，负极越负）则能量高，因此元素周期表中电位最负的碱金属成为了电池负极的选择。虽然其能量与核能不能相提并论，但其仍然会造成很大的危险。电位负意味着碱金属极易失去电子，与氧气和水等发生剧烈反应，燃烧甚至爆炸。
  考虑到地壳储量（决定成本）与原子质量（决定比容量），碱金属中只有锂、钠、钾具有考虑价值。因此，碱金属电池一般指电池负极为金属锂、钠、钾、及其合金的电池。根据可否循环充放分为一次电池和二次电池。

虽然危险，但碱金属电池已经普遍存在我们日常生活中，一般为锂金属一次电池，举例如下：

相机闪光灯所用的圆柱状AA锂电池，其拆开后可以看到大量的的锂箔，放入水中剧烈反应。
锂金属一次电池是一个庞大的家族， 根据正极和电解液不同的特性应用在不同的领域，这里不再一一列举。以上两个例子说明碱金属一次性电池在良好的密闭条件下，不与外界接触可以确保是安全的，甚至可以嵌入体内。
  电池使用一次就扔掉不仅造成使用成本很高，对环境也造成很大的污染，如果电池放电后可以充电后再次利用，那么成本就会极大的降低也更加环保。但目前碱金属二次电池却鲜有商业化。这是因为在充电过程中，碱金属的不均匀沉积生成枝晶会刺穿隔膜而造成正负极短路，瞬间释放热量，引发电池着火和爆炸。如下图。
   锂金属负极的技术障碍至今没有解决，但得益于John B. Goodenough博士课题组一系列含锂正极(LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4)的发明，锂金属可以不需要作为锂源，而被石墨所取代。充电时，锂离子从正极脱出，移动到负极，得电子并嵌入到石墨层状结构中而不形成枝晶，这很大程度上克服了低电流密度下枝晶的问题 （见下图，参考文献[3]）。由于此种电池中不含锂金属，而是借助锂离子在正负极来回嵌入脱出实现充放电，因此又称“锂离子电池”，它的诞生引发了无线移动电子技术的革命性发展，彻底的改变了我们的生活方式。但石墨的采用也付出了能量密度降低的代价，而且，在大电流密度下，石墨也有形成枝晶的危险，锂离子快速的嵌入石墨层中，会造成锂金属在石墨层状通道口的“拥堵”，因而在石墨表面形成枝晶。

由于“锂离子电池”使用石墨作为负极，“锂金属电池”使用金属锂做负极，第一感觉就是肯定锂离子电池安全。但这样比较是不公平的，石墨是处于放电状态（尚未嵌锂，低能状态），而锂金属是处于充电状态（高能状态）。

锂离子电池使用石墨作为负极进行组装，此时电池处于放电状态，能量最低，因此安全，一旦电池组装并充满电后，锂离子由正极移动到负极并得电子，以几乎“锂原子”的状态嵌入石墨中，形成 LiC6，此时为充电状态，应该比较LiC6和金属锂。

如果把充电后的石墨（LiC6）从电池中取出，挥发掉电解液，在空气中抖一抖，就会着火，而金属锂在不遇水的情况下，在空气中只会氧化，反而不会起火。

石墨之所以被选择作为负极，不是因为LiC6本身安全，而使因为石墨的层状结构可以防止锂枝晶的生成。如果金属枝晶问题能够自身解决（比如液态钠硫电池），石墨是完全没有必要的 。但目前尚无解决锂枝晶方法。