搖椅式電池

為了繞開(kāi)金屬鋰析出時(shí)產(chǎn)生的樹(shù)枝狀結(jié)晶問(wèn)題，1980年，Armand率先提出了RCB概念。電池兩極不再采用金屬鋰，而是采用鋰的嵌合物。在鋰嵌合物中，嵌合物中有三維或者二維空隙，金屬鋰不是以晶體形態(tài)存在，而是以鋰離子和電子的形式存在于空隙中。你可以把鋰嵌合物想象成一個(gè)漢堡包，嵌合體相當(dāng)于兩片面包，而鋰原子(鋰離子與電子)就是中間的牛排，能被很輕松地抽出和加入。正因如此，鋰離子嵌合物可以取代金屬鋰，作為電池中鋰離子的提供者。由于鋰離子放在嵌合物的空隙中，枝晶問(wèn)題就不再嚴(yán)重了。更為重要的是，嵌合物往往對(duì)空氣等不敏感。因此鋰嵌合物大大增加了鋰電池的安全性。

第一個(gè)嵌入物質(zhì)就是我們?cè)偈煜げ贿^(guò)石墨。大家都知道，石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，層間距是0.355nm，而鋰離子只有0.07nm，所以鋰離子很容易插入石墨中，形成組成為C?Li的石墨鋰嵌合物。1982年，美國(guó)伊利諾伊理工大學(xué)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性。他們發(fā)現(xiàn)，鋰離子嵌入石墨的過(guò)程不僅快速。在充電時(shí)，石墨電極得到電子，并接受Li+離子嵌入，生成石墨-鋰化合物，反應(yīng)式為C?+Li?+eˉ→C?Li。放電時(shí)，則發(fā)生上述過(guò)程的逆反應(yīng)。

因此，改進(jìn)后的鋰電池能夠釋放或儲(chǔ)存能量是因?yàn)殇囯x子在兩個(gè)電極之間反復(fù)游走。在充電時(shí)，電流將正極嵌合物中的鋰離子趕了出來(lái)，這些鋰離子經(jīng)過(guò)正極與負(fù)極之間的電解液“游”到負(fù)極嵌合物中；而放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極嵌合物中經(jīng)過(guò)電解液“游”回正極嵌合物中。鋰在整個(gè)脫落和嵌入的循環(huán)過(guò)程中，都保持穩(wěn)定的離子形式，鋰離子能在電池兩極的嵌合物或者搖擺，因此又被稱為“搖椅式電池”(RockingChairBattery，縮寫(xiě)為RCB)。

鋰離子電池

石墨價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是十分理想的負(fù)極材料，那么正極應(yīng)該采用什么材料呢。1970年，M.S.Whittingham發(fā)現(xiàn)鋰離子可以在層狀材料TiS2可逆的嵌入析出，適合做鋰電池正極。1980年，美國(guó)物理學(xué)教授JohnGoodenough找到了新物質(zhì)的LiCoO2。這種物質(zhì)也具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)。1982年，Goodenough就發(fā)現(xiàn)了具有三維空隙的LiMn2O4，這種結(jié)構(gòu)能夠提供三維通道給鋰離子移動(dòng)。1996年Goodenough又發(fā)現(xiàn)具有橄欖樹(shù)結(jié)構(gòu)的LiFePO?，這個(gè)物質(zhì)具有更高的安全性，尤其耐高溫，耐過(guò)充電性能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)鋰離子電池材料。

日本索尼公司將鈷酸鋰(正極材料)和石墨(負(fù)極材料)結(jié)合，使用含有鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的有機(jī)溶劑作為電解液，在1990年開(kāi)發(fā)出了全新的可充電鋰電池，1992年，該種電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。這樣的電池，工作電壓可達(dá)到3.7伏以上，索尼公司在并將該技術(shù)重新命名為“Li-ion”。這個(gè)標(biāo)識(shí)可以在很多手機(jī)電池或者筆記本電池上找到。高性能，低成本，安全性好，這種鋰離子電池一經(jīng)問(wèn)世立刻受到了歡迎，幫助索尼一躍成為行業(yè)老大。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

一般的電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。鋰離子電池下一個(gè)重要更新是以高分子材料主要是取代電解質(zhì)溶液。1973年，Wright等人發(fā)現(xiàn)某些聚合物能夠較快的傳導(dǎo)鋰離子。1975年Feullade和Perche又發(fā)現(xiàn)PEO，PAN，PVDF等聚合物的堿金屬鹽配合物具有離子導(dǎo)電性。1978年，法國(guó)的Armadnd博士預(yù)言這類材料可以用作儲(chǔ)能電池的電解質(zhì)，提出電池用固體電解質(zhì)的設(shè)想。1995年，日本索尼公司發(fā)明了聚合物鋰電池，電解質(zhì)是凝膠的聚合物。1999年，聚合物鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商品化。