电池的充放电过程中电化学反应的具体路线是什么？

　　作为重要的民生交通工具，电动车用于居民日常代步和休闲娱乐。伴随城镇化进程的不断推动和人民生活水平的不断上升，人们对交通工具和出行方式也提出了更高的要求，而电池作为电动车的核心零部件之一，对电动车性能的好坏起到关键作用。

　　铅酸电池

　　铅蓄电池是目前化学电池中市场份额最大、使用范围最广的电池产品，在内燃机起动、大规模储能等应用领域尚无成熟替代产品。2013-2017年，我国铅酸蓄电池的产量呈现波动变化趋势，2014年，铅酸蓄电池的产量为220.69百万千伏安时，同比增长7.64%，为近五年来产量的峰值。随后两年，我国铅酸蓄电池的产量都逐年下降，到了2017年，中国铅酸蓄电池的产量再度回升，达到207.78百万千伏安时，同比上升1.10%。

　　目前，我国铅蓄电池主要应用在汽车启动、车用动力、备用与储能三大领域。其中，汽车启动领域为铅蓄电池最大应用领域，占总应用范围的48%。

　　镍氢电池

　　早期的镍氢电池，是以镍镉电池的替代品身份出现，由于其安全性、稳定性、环保型特点突出，迅速地占领了便携式电器、电动工具、应急电源等市场，特别是镍氢混动力汽车电池的诞生，将镍氢电池的发展推向了高峰。目前，镍氢电池面临着锂离子电池、新型燃料电池等方面的挑战，随着产能的逐步放大出现产量放缓的趋势。且陆续受到国家对新能源汽车政策补贴改革的影响，我国镍氢电池增长乏力，近几年产量均逐年下降。

　　据前瞻产业研究院数据显示，2012-2017年我国镍氢电池产量呈逐渐下降趋势。2017年，我国镍氢电池产量为6.35亿只，同比去年下降8.58%。

　　目前，我国镍氢电池主要应用在混合动力汽车(HEV)、吸尘器、个人护理、照明灯具以及电动工具五大领域，其中镍氢电池在HEV领域占据90%以上的应用份额。

　　锂电池

　　中国是世界最大的锂电池生产制造基地，锂电产品已经占到全球57%的市场份额。目前，锂电池已逐步向电动自行车、电动汽车等领域拓展。全球锂电池需求量随着应用领域的不断扩展而逐年递增。中国已是仅次于日本的锂电池生产大国，市场增长空间巨大。

　　2010-2017年我国锂电池的产量不断增长。近年来3C产品对锂电池需求量的稳定增加，以及随着新能源汽车的市场规模逐步扩大和储能电池的需求扩大，我国锂电池产量规模逐年扩大。2017年，我国锂离子电池产量111.13亿只，同比增长41.71%。

　　我国锂电池广泛应用于手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车、电动工具、数码相机等众多下游领域，可归为主要三类：电动交通工具类(新能源汽车及电动自行车)、工业储能类、消费类电子产品。

　　三类电池优缺点对比

　　目前，这三大类电池在性能上各有优缺点。铅酸蓄电池具有容量高、工作温度范围宽、大电流放电性能好、自放电率低、安全性能好、技术成熟、成本低廉、可循环使用的优点，但体积比、重量比能量偏低，单体电压较低。

　　镍氢电池具有安全性能好、技术成熟的优点，但存在自放电率高、电池容量不大、大电流放电性能弱、成本高、无法循环利用等问题。

　　而市场前景最被看好的锂离子电池虽然体积比、重量比能量高、单体电压高，但存在电池容量不大、大电流放电性能弱、技术不够成熟、安全问题突出、成本高、无法循环利用等问题。

　　总体来看，目前铅酸电池、镍氢电池产量均呈逐渐下降的趋势，而锂电池的产量走势趋好。

对于锂氧电池系统，研究人员公认电池的充放电反应产生类似甜圈和气球状的奇特反应产物形状。然而，这个形状的如何形成仍然是一个谜。在氧气气氛中，原子尺度下的纳米锂-氧电池的新研究为解决这个谜题提供了新线索。

锂-氧反应途径的发现为锂-氧系统中电化学过程的定量建模奠定了基础, 为更好地设计具有高容量、更长周期寿命的锂氧电池提供了视角。

锂-氧电池系统在电动工业中是启用技术。然而，锂-氧电池的研究和开发受到了两个悬而未决的问题的严重阻碍。第一，电池的充放电过程中电化学反应的具体路线是什么？第二，反应产物的形状和反应路线的具体关系是什么？这两个问题的答案是基本的，但对锂-氧电池的开发至关重要。

为了解决这个理论缺陷，来自太平洋西北国家实验室的一组研究员与中国天津工业大学和环境分子科学实验室EMSL一起，在科学用户设施能源部的环境分子实验室采用先进的原位成像技术--环境透射电子显微镜，观察纳米锂氧电池的充放电过程。他们发现氧气与碳纳米管上面的锂反应形成亚稳态氧化锂。

该氧化物转变成更稳定的氧化锂，并释放将颗粒膨胀成中空结构的氧气，产生甜圈形状和气球形状。这种观察更加普遍的表明：释放的氧气被容纳的方式决定着锂氧电池中反应产物的复杂形态的形成。这项工作的结果不仅回答了上述的两个问题，还提供了对锂氧电池中离子和电子传输与质量流耦合的了解。