鋰離子電池的基本原理及工作原理有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-07 13:53
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首先大家會問，為什么選擇鋰元素作為能量載體？
好吧，雖然我們不想去回顧化學(xué)的知識，可是這個問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧？！實在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。
要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲和搬運更多的能量。因此，需要滿足下面幾個基本條件：
1）原子相對質(zhì)量要小
2）得失電子能力要強
3）電子轉(zhuǎn)移比例要高
基于這3項基本原則，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個元素。
氫元素是自然界最好的能量載體，所以氫燃料電池的研究一直方興未艾，代表了電池領(lǐng)域一個非常有前途的方向。當然，如果核裂變技術(shù)在未來幾十年能夠取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便攜式的核燃料電池將會有廣闊的發(fā)展空間。
接下來就是鋰了，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當前的所有元素中，我們能夠找到的相對優(yōu)解（鈹?shù)膬α刻倭耍窍∮薪饘僦械南∮薪饘伲?a href="http://www.pdszhhs.com">氫燃料電池與鋰離子電池的技術(shù)路線之爭，在電動汽車領(lǐng)域打的如火如荼，大概就是因為這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當然，這里面還牽涉到很多的商業(yè)利益，甚至政治博弈，這些不是本文要討論的范疇。
順便說一下，自然界中已經(jīng)存在的，并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）。所以不管是自然的選擇，還是人類的“設(shè)計”，最終都是殊途同歸的。
下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應(yīng)，化學(xué)基礎(chǔ)不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識還給老師的人，看到這些專業(yè)的東西就會頭暈，所以我們還是搞點直白的描述。這里借用一張圖，這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。
我們按照使用的習(xí)慣，根據(jù)充放電時的電壓差區(qū)分正極（+）和負極（-），這里不講陽極和陰極，費時費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰（LiCoO2），負極材料是石墨（C）。
充電的時候，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，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。
放電的時候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子（Li+）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2）。從負極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個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+）充當了電能的搬運載體，周而復(fù)始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(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，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。
3.鋰離子電池的基本構(gòu)成
要實現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡單論述，這些材料都是干嘛的。
正負極不難理解，要實現(xiàn)電荷移動，就需要存在電位差的正負極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們知道，電池實際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實現(xiàn)這個過程，就需要正負極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來做電池的正負極。
上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢？這樣不是可以達到最大的能量密度嗎？
我們再看上面這張圖，氧（O）、鈷（Co）、鋰（Li）三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)（圖中的比例和排列僅作參考），負極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果是什么？想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個化學(xué)反應(yīng)的過程實際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。
