太藍(lán)鋰匯|電池的玄妙與魔力，鋰電池的原理概述(上）

電化學(xué)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了長足平妥的發(fā)展過程，大量的科研院所、企業(yè)機(jī)構(gòu)潛心研究，在前進(jìn)路途中不斷涉歷和試錯(cuò)，同時(shí)也貢獻(xiàn)了卓著的研究成果。時(shí)序更替，在此前長達(dá)30年的時(shí)間里，鋰電池的基礎(chǔ)體系基本保持相對(duì)平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)。探索無限止、前進(jìn)疾兼程，現(xiàn)今的電池技術(shù)仍然在漸進(jìn)發(fā)展，未來仍為可期。

「太藍(lán)鋰匯」是太藍(lán)新能源開設(shè)的電池科普內(nèi)容集匯欄目，通過知識(shí)科普觸及鋰電池技術(shù)動(dòng)態(tài)和相關(guān)市場領(lǐng)域。深耕于先進(jìn)固態(tài)鋰電產(chǎn)業(yè)研發(fā)，太藍(lán)力量正當(dāng)時(shí)，并且將不斷發(fā)榮滋長。

電是現(xiàn)代文明的血液，電能的利用是人類進(jìn)入現(xiàn)代化社會(huì)的標(biāo)志。電池作為一種能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的裝置，通過反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電流無形，帶來的現(xiàn)實(shí)力量卻在轉(zhuǎn)化成有形的科技力量，深藏著推動(dòng)社會(huì)發(fā)展與技術(shù)革新的玄妙與魔力。

基于我們之前的《關(guān)于鋰電池的基礎(chǔ)解讀》，本文當(dāng)中所指的鋰離子電池特指可反復(fù)充電的二次鋰離子電池，而不是一次性電池。

鋰離子電池在我們的日常生活中隨處可見，其應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)類（消費(fèi)電子，電動(dòng)工具等）、動(dòng)力類（新能源汽車等）、儲(chǔ)能類（儲(chǔ)能基站、工業(yè)儲(chǔ)能電站等）。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動(dòng)力來源，可以說，如果沒有鋰離子電池，也就無法實(shí)現(xiàn)諸多科技成果的實(shí)際轉(zhuǎn)化。

作為電池技術(shù)的一種，鋰離子電池的相關(guān)理論研究，近年以來的研究成果大多數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產(chǎn)業(yè)化的程度，研究出性能更優(yōu)異的鋰離子電池（能量密度更高、循環(huán)壽命更長）。

鋰離子電池的基本原理

1.如何選擇能量的載體

首先大家會(huì)問，為什么一定要選擇鋰元素作為能量載體？

元素周期表會(huì)給予答案。

為什么選擇鋰，鋰的電極電位是首屈一指的。電化學(xué)反應(yīng)里面，翻遍元素周期表100多種元素，它一定是能量密度最高的，所以制作電池，會(huì)首選鋰，因?yàn)樗钶p而且電壓最低。所以為什么選鋰，也就是這個(gè)核心點(diǎn)。

要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲(chǔ)和搬運(yùn)更多的能量。因此，需要滿足以下幾個(gè)基本條件：

1）原子相對(duì)質(zhì)量要小

2）得失電子能力要強(qiáng)

3）電子轉(zhuǎn)移比例要高

基于這3項(xiàng)基本原則，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個(gè)元素。氫元素是非常好的一種能量載體，關(guān)于氫燃料電池的研究一直方興未艾。

接下來的重頭戲就是鋰，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當(dāng)前的所有元素中，我們能夠找到的相對(duì)優(yōu)解（鈹?shù)膬?chǔ)量比較少，屬于稀有金屬）。

目前自然界中已經(jīng)存在的，并且可以為人類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其主要成分也是碳、氫、氧等元素（在元素周期表的第一周期和第二周期）。所以無論是自然的選擇，還是人類的“設(shè)計(jì)”，最終都是殊途同歸的。

2.鋰離子電池的工作原理

按照常規(guī)的使用習(xí)慣，根據(jù)充放電時(shí)的電壓差區(qū)分正極（+）和負(fù)極（-）；

舉例來講，如果電池的正極材料是鈷酸鋰（LiCoO2），負(fù)極材料是石墨（C）。在充電的時(shí)候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子（Li+），在電場力的作用下，從正極經(jīng)過電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極，與負(fù)極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極脫出來的Li+就很“穩(wěn)定”的嵌入到負(fù)極的石墨層狀結(jié)構(gòu)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負(fù)極的Li+越多，這個(gè)電池可以存儲(chǔ)的能量就越多。

放電的時(shí)候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子（Li+）從負(fù)極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2）。從負(fù)極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的Li+越多，這個(gè)電池可以釋放的能量就越多。

在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子（Li+）充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來回的移動(dòng)，所以鋰離子電池又被稱作“搖椅式電池”。Li+與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個(gè)循環(huán)過程中，并沒有電子在正負(fù)極之間的來回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。

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