一、什么是鋰離子電池？其工作原理為何？

 

 鋰離子電池是一種二次電池（即可反復(fù)充放電的電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+（鋰離子）在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，因為鋰離子在正極和負(fù)極材料中儲存時能量不同，而該能量差就是鋰電池能存儲/釋放的電量：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于脫鋰狀態(tài)；放電時則相反。下圖就是鋰離子電池工作的典型示意圖，其使用的反應(yīng)體系為最經(jīng)典的鈷酸鋰正極-石墨負(fù)極。

 

在該電池中，以充電過程為例正負(fù)極的具體反應(yīng)如下：

 LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-

 6C+xLi+xe-=LixC6

 

因為材料本體的性質(zhì)局限，在正極的反應(yīng)過程中，鈷酸鋰一般情況下只能脫出0.5個鋰離子，再多則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌損壞，因此一般情況下鈷酸鋰的理論容量上限只有140mAh/g左右，而負(fù)極石墨的理論密度為360mAh/g。再加上鈷酸鋰的放電的平均電壓為3.7V（實際上是從4.2的充滿電最高電壓逐漸下降到3V左右，3.7為平均值），同時，考慮到石墨負(fù)極很低的電位值，以及電池中各種其它元件的占比，最后可以得到我們用的鋰電池（例：手機）的能量密度大約是160Wh/kg左右。

 

 能量密度對于各種電池都是最為基礎(chǔ)的核心參數(shù)，必須而且應(yīng)該是公開透明數(shù)據(jù)。然目前常用鋰離子電池中，由于取決材料、技術(shù)體系不同，能量密度可以從幾十（比如鈦酸鋰）到200Wh/kg左右。一旦這個數(shù)值極高（或極低），就值得重點關(guān)注了：

 

一方面，在技術(shù)人員的努力下，做出了較高的能量密度，可能技術(shù)上有突破，值得慶祝；另一方面，不排除有部分人士商家存在性能夸大現(xiàn)象。如果能量密度數(shù)據(jù)不輕易標(biāo)出，則消費者購買/投資人投資前就需謹(jǐn)慎思考（因為謹(jǐn)慎推測：不愿意標(biāo)注的多半是因為該性能不佳）。

 

電池的基礎(chǔ)是電化學(xué)科學(xué)，而對于這一領(lǐng)域，有一個樸素但是最為基本的原理：任何一種電池，其存儲能量的機理均需寫出一個相應(yīng)的電化反應(yīng)方程式，如此才能知道其電壓情況，判斷其理論極限能量密度等，而且這些對于電池而言都只是最基本信息。不論此電池技術(shù)有多新（或只是相關(guān)人士所說的新），其原理都必須能寫成化學(xué)方程式，落實在紙面上，如此才可以經(jīng)得起學(xué)界常識的檢驗。筆者近來有友被推銷一種電池，然而推銷人士卻對最基本電池反應(yīng)原理三緘其口，因為“怕泄密”，同時說出一些違反電化學(xué)基本常識的理論，因此購買與采用該技術(shù)前還是建議要做仔細(xì)調(diào)研，謹(jǐn)慎行事。

 

就電池而言，電化學(xué)反應(yīng)機理是最基本信息，需要公開透明，而且這還僅僅是第一步。電池工程技術(shù)真正的壁壘在于對材料、整體結(jié)構(gòu)以及工藝的優(yōu)化。即使基礎(chǔ)原理清楚，還需考慮實現(xiàn)難度，新技術(shù)工程化的艱辛是遠(yuǎn)超出很多人想像。近幾十年來中國工業(yè)取得如此大成就得益于技術(shù)人員的辛勤積累，不懈堅持與嚴(yán)謹(jǐn)鉆研。中國的電池工業(yè)能有目前的成就，同樣離不開腳踏實地的實干精神和在工業(yè)工程化中的辛勤探索。

 

 故而請允許筆者再次引申，此前對“石墨烯（基）（鋰離子）電池”、“石墨烯增強（鋰離子）電池”“石墨烯輔助（鋰離子）電池”的質(zhì)疑已有諸多分析（只限于鋰電池，并沒有涉及鉛酸等其它技術(shù)）。

 

在此再次強調(diào)：石墨烯用于鋰電池，只能做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑。做負(fù)極材料其成本高，體積密度低，首次效率極低，使用中會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化（Re-stacking），成本頗高，基本無可能性；而當(dāng)作導(dǎo)電添加劑，其與其它碳系材料兄弟競爭，并無明顯優(yōu)勢，又面臨工程中分散等一系列實際問題。實際上，現(xiàn)今市場中各種石墨烯電池技術(shù)，幾乎很少有人愿意將自己電化學(xué)反應(yīng)方程式明確公開地寫出，從而讓同行站在科學(xué)的角度去檢驗。其中緣由，值得思考。

 

 相比之下，許多新一點——例如鋁、鎂等電池，在不談?wù)摷夹g(shù)可靠性之外，其反應(yīng)機理確實存在，因此至少還存在進一步討論分析這種技術(shù)的空間。

 

二、起名很重要——就名字關(guān)注是否具有可靠性

 

 起名很重要——擁有朗朗上口名字的技術(shù)，利于被記憶與傳播。市場中存在諸多的“石墨烯電池”均按照此方式傳播，主要優(yōu)點其實也是便于記憶。相比之下三元鋰電池、硅負(fù)極電池就顯得較為稀松平常。加強傳播性固然重要，但如若該名字喧賓奪主，掩蓋或者扭曲自己真正核心和競爭力的技術(shù)，那就在一定程度上有名不副實的問題。實際上，鋰電池命名在行業(yè)內(nèi)一般都有通用規(guī)則的，在這里可作簡單介紹：

 

 1）以最主要的組元來命名，由于鋰電池中正極材料往往是鋰電池中能量密度最重要的決定環(huán)節(jié)，因此以其命名情況最多。比如磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈷酸鋰電池等。隨著近年來的技術(shù)發(fā)展，一些高性能的負(fù)極材料已經(jīng)登場或正在登場，因此鈦酸鋰電池、包括以后的硅負(fù)極（電池）命名也是合理的。同理，此原則相較其它體系的電池也適用，比如鎳氫、鉛酸等，幾乎是電池名就可以初步概括核心反應(yīng)。在這里我們需要強調(diào)：加了一點石墨烯的鋰離子電池不可以稱之為石墨烯電池，加了一點石墨烯的鋰空氣電池也不能稱作石墨烯電池。這就如同加了味精的魚香肉絲還是只被視為魚香肉絲一樣。當(dāng)然，如果加入石墨烯確實強化了性能，那么所強化的性能是需要舉證效果的，如此才能令科研與工業(yè)界信服。

 

 2）以反應(yīng)機理/特點來命名，最為典型的是液流電池。液流電池是以液態(tài)存在的正負(fù)極物質(zhì)，用隔膜分隔在不同腔體中，利用泵將其輸送到隔膜界面處進行電化學(xué)發(fā)應(yīng)，實現(xiàn)電能存儲或釋放的電池。就通俗視角來看，可以理解為液流電池就是幾個化工用的罐子，通過泵將反應(yīng)液體輸送到界面處反應(yīng)，實現(xiàn)電流存放。這樣的電池能量密度很低，只有幾十Wh/kg，僅適合于工業(yè)固定儲能，幾乎無法使用在汽車上。因為液流電池中釩體系相對成熟，有時也會稱之為釩電池。此前一則新聞表示，“釩”電池使用在汽車上，市場規(guī)模萬億，續(xù)航里程N公里。就專業(yè)角度而言，該訊息存在虛假之嫌。當(dāng)然，筆者沒有否定釩液流電池之意：這類電池壽命長，因此在場地條件寬松的儲能應(yīng)用場景會有自己獨特的優(yōu)勢。