鋰離子電池的基本組成

 

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，鋰離子電池需要包含幾種基本材料:正電活性物質(zhì)、負(fù)電活性物質(zhì)、隔離膜、電解液。讓我們快速討論一下這些材料的用途。

 

理解正極和負(fù)極是不難的，為了實(shí)現(xiàn)電荷的運(yùn)動(dòng)，你需要正極和負(fù)極材料的電位差，那么什么是活性材料呢?我們知道，電池實(shí)際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量。要做到這一點(diǎn)，你需要一種“容易”與之發(fā)生反應(yīng)的材料，一種容易被氧化和還原的材料，一種可以轉(zhuǎn)換能量的材料，所以我們需要一種“活性材料”來(lái)做電池的正極和負(fù)極。

 

如上所述，鋰是我們生產(chǎn)電池的首選材料，那么為什么不用金屬鋰作為電極的活性材料呢?這不是最大能量密度嗎?

 

如上圖所示，氧(O)、鈷(Co)和鋰(Li)形成了一個(gè)非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)(圖中所示的比例和排列僅供參考)，負(fù)極石墨的碳原子也有一個(gè)非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正極和負(fù)極材料不僅要活潑，而且要有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)有序、可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的后果是什么?想想汽油燃燒或炸彈爆炸時(shí)能量的劇烈釋放，這是一種幾乎不可能精確控制的化學(xué)過(guò)程，因此化學(xué)能變成熱能，同時(shí)不可逆地釋放出來(lái)。

 

 

 

金屬形式存在的鋰元素太“活潑”，頑皮的孩子大多不聽話，喜歡搞破壞。早期對(duì)鋰離子電池的研究主要集中在金屬鋰或其合金作為負(fù)極，但出于安全考慮，他們不得不尋找更好的替代品。近年來(lái)，隨著對(duì)能量密度的追求，這一研究方向出現(xiàn)了“全血復(fù)活”的趨勢(shì)，我們將在后面討論。

 

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和釋放過(guò)程的化學(xué)穩(wěn)定性，也就是電池充放電周期的安全性和長(zhǎng)壽命，我們需要一種電極材料，它在需要時(shí)是反應(yīng)性的，在需要時(shí)是穩(wěn)定的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和探索，發(fā)現(xiàn)了幾種鋰金屬氧化物，如鋰鈷氧化物、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池活性物質(zhì)的正極或負(fù)極，解決了上述問題。如圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)。在充放電過(guò)程中，鋰離子在不引起晶格坍塌的情況下被剝離。另外，金屬鋰電池也有，但與鋰離子電池相比微不足道，技術(shù)的發(fā)展最終要服務(wù)于市場(chǎng)。

 

當(dāng)然，在解決穩(wěn)定性問題的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的“副作用”，即作為能量載體的鋰的比例大幅下降，能量密度下降了一個(gè)多數(shù)量級(jí)。

 

負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料作為活性物質(zhì)，這也符合上述原則。要求是良好的能源載體，相對(duì)穩(wěn)定，儲(chǔ)量相對(duì)豐富，便于大規(guī)模生產(chǎn)。碳元素是一種相對(duì)最優(yōu)的解決方案。當(dāng)然，這并不是唯一的解決方案，而且負(fù)面材料已經(jīng)被廣泛研究過(guò)，稍后會(huì)討論。

 

電解質(zhì)是做什么用的?通俗地說(shuō)，就是游泳池里面的“水”，讓鋰離子可以自由游動(dòng)，所以離子導(dǎo)電性越高，阻力越小(游泳)，電子導(dǎo)電性(絕緣)越小，化學(xué)穩(wěn)定性(穩(wěn)定性)越好，熱穩(wěn)定性(安全性)越好，給人以廣闊的潛在窗口。基于這些原理，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工程探索，人們發(fā)現(xiàn)了高純有機(jī)溶劑、鋰電解液鹽以及必要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制電解液。有機(jī)溶劑有PC(碳酸丙烯)、EC(碳酸乙烯)、DMC(碳酸二甲酯)、DEC(碳酸二乙酯)、EMC(碳酸乙酯)等材料。鋰電解液中含有LiPF6、LiBF4等物質(zhì)。