電池是如何進(jìn)行充放電的？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-06 08:51
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十九世紀(jì)以來，很重要的一件事是鉛酸電池的發(fā)展，鉛酸電池是1859年發(fā)明的，電動(dòng)自行車等很多場(chǎng)景用的就是鉛酸電池。1990年商業(yè)化的鋰離子電池也是一個(gè)重要的里程碑?，F(xiàn)在已經(jīng)有一個(gè)龐大的電池家族，除了剛才展示的化學(xué)電池，還有太陽能電池、溫差電池、核電池、燃料電池、生物電池，其中像太陽能電池、溫差電池屬于能量轉(zhuǎn)換裝置，剛才講的化學(xué)電池如果是可充電電池，都是儲(chǔ)存式電池。
電池是怎么工作的？我們通過鋰離子電池了解一下。普遍的搖椅式的鋰離子電池，它的工作原理可以通過兩個(gè)圖來做一些粗淺了解。
左圖右上角顯示電池的狀態(tài)是空的，說明它是全放的狀態(tài)，也就是放電完了。這個(gè)視頻要演示在充電的過程中間，電池內(nèi)部發(fā)生了什么。大家注意幾個(gè)點(diǎn)，紅的顆粒代表鋰離子，藍(lán)的小顆粒代表這里面產(chǎn)生的電子?？梢钥吹诫娮釉陔姵氐耐饷?，從右邊走到左邊，鋰離子從電池的內(nèi)部從右邊走到左邊。到左邊的過程，實(shí)際上就是充電的過程。
對(duì)應(yīng)的，右圖顯示的是放電的過程，鋰離子在電池內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從左邊走到右邊，電子在外部的電路運(yùn)動(dòng)，也是從左邊走到右邊。這就是它充放電過程的機(jī)制。
這樣一個(gè)來回移動(dòng)的過程，為什么可以儲(chǔ)存能量，這個(gè)能量怎么來的？
電池儲(chǔ)存能量的機(jī)制
來看一下能量空間，用一個(gè)水池做類比。左邊是負(fù)極，右邊是正極，綠色的像水一樣的就是鋰離子或者電子，初始狀態(tài)是充滿能量的。
剛開始是放電的過程，這些能量比較高的電子或鋰離子把它的能量放掉，兩個(gè)電極之間逐漸拉平，能量逐漸拉平，這是一個(gè)自發(fā)的過程。
充電的時(shí)候，則通過外界的電把能量?jī)?chǔ)存進(jìn)去，鋰離子和電子的勢(shì)能增加，就把能量充進(jìn)去。這樣一個(gè)充放電的過程，電子和離子在不同的位置，但是它的能量有升高和降低，這就是整個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)存能量的工作原理。
七道工序鑄就鋰離子電池
知道這個(gè)原理之后，再來看看這么多鋰離子電池，它是怎么被生產(chǎn)出來的？
鋰離子電池生產(chǎn)的第一道工序是混漿，把活性電極材料、導(dǎo)電添加劑、黏合劑都混在一起，這里有一個(gè)攪拌機(jī)，把它攪拌成均勻分散的漿料。第二步是涂布，把黑乎乎的漿料涂到極片的集流體上。第三步是裁剪，把涂好的極片裁剪成所需要的形狀。
這個(gè)是極耳，極片的耳朵，是把電引出來的地方，極耳是很多時(shí)候電池出問題的原因，大家知道前些年三星手機(jī)電池爆炸，經(jīng)過詳細(xì)調(diào)查以后，發(fā)現(xiàn)問題就出在極耳有短路的可能性，最終導(dǎo)致電池爆炸。
下一步就是這些電池要疊片，剛才講到電壓不夠時(shí)我就把它疊的多一點(diǎn)，實(shí)際上在電池里面也是一樣的，在內(nèi)部也需要把更多的電能儲(chǔ)存進(jìn)去，所以要疊很多的片。第五步把疊好的片子放到一個(gè)外包的殼里面，裝成一個(gè)袋子。第六步注液，就是把電解液裝到這個(gè)袋子里面去，這個(gè)電解液是離子傳導(dǎo)的媒介，就象剛才水果電池里的媒介檸檬一樣。最后把電池封裝起來，拿去做測(cè)試或者使用。
可以看到，在一個(gè)工廠里面，電池的生產(chǎn)步驟牽涉到很多，從材料、設(shè)備、工藝到自動(dòng)化控制。
電池續(xù)航、安全等困境：前沿研究能解決嗎？
當(dāng)前電池研究在做什么？大家已經(jīng)看到，可以通過自動(dòng)化工廠生產(chǎn)很多電池，那么現(xiàn)在的電池還有些什么問題，為什么還要做研究？
第一個(gè)研究方向是提高電池能量密度。大家如果自己開電動(dòng)汽車，經(jīng)常碰到里程焦慮，眼看電池顯示快沒電了，但是還沒有到下一個(gè)充電站，就會(huì)有里程焦慮。
看一個(gè)典型的例子，一個(gè)五座的小汽車，車重大約900公斤，如果續(xù)航里程需要達(dá)到500公里，估算需要400多公斤的電池，也就是說電池會(huì)占車重的二分之一到三分之一，對(duì)整個(gè)交通工具來說，它的能量效率是不高的。
所以希望電池的能量密度更高，單位體積的材料能夠容納的鋰離子更多，正負(fù)極之間的電壓越高，電池的能量密度就越高。車身的重量越小，電動(dòng)車的續(xù)航越長(zhǎng)，所以這是一個(gè)非常重要的方向。
第二個(gè)研究方向是提高電池的安全性。這張照片是特斯拉的汽車在行駛的過程中，碰到了地上一個(gè)尖銳的突起，造成了嚴(yán)重的安全事故。
大家知道特斯拉的電池是做在底盤上的，雖然做了安全性能防護(hù)，但是在這個(gè)事故當(dāng)中，它的電池被尖銳的突起扎穿，相當(dāng)于造成了電池短路，最終使電池起火，所以電池的安全性很重要。
這是實(shí)驗(yàn)室做的一個(gè)安全性測(cè)試，用兩個(gè)相同能量密度（205Wh/kg）的電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是沒有經(jīng)過處理的電池，一個(gè)是經(jīng)過材料改進(jìn)以后的電池，沒有處理的電池發(fā)生了嚴(yán)重的燃爆，這個(gè)電池是10Ah，一輛普通的乘用車大概有400-500個(gè)這樣的電池。
大家可以想像，如果發(fā)生短路或者撞擊到尖銳物體等極端情況，安全性不好的電池實(shí)際上是很危險(xiǎn)的，這也是為什么要不斷提升它的能量密度，但同時(shí)也提升它的安全性的原因，這是電池的一個(gè)重要研究方向。
電池技術(shù)，可以使人類生活更加綠色
未來還需要研發(fā)什么樣的電池？需要把電池工業(yè)做的更加綠色、更加環(huán)保、更加低成本。剛才演示的這些電池，都需要用到鋰元素、鈷元素、鎳元素，在元素周期表上可以看到金屬鋰分布不高，鈷和鎳都屬于比較稀有的元素，它們的儲(chǔ)量很有限。
像金屬鈷，在整個(gè)地球上主要出產(chǎn)于剛果金，這是一個(gè)政治上不太穩(wěn)定的國(guó)家，所以金屬的來源有問題。
因此，電池領(lǐng)域都在開發(fā)含有其他元素，像鈉、鎂、鈣、鋁這些儲(chǔ)藏分布更豐富的材料所做的電池，甚至利用有機(jī)材料、綠色生物質(zhì)材料來做電池。
電池研發(fā)其實(shí)有很多高大上的研究工具。中國(guó)的散裂中子源在廣東東莞，中國(guó)是繼美國(guó)、日本、英國(guó)以后第四個(gè)有散裂中子源的國(guó)家，有意思的是散裂中子源上的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和第一篇發(fā)表的論文，都是跟鋰電池有關(guān)的。
