1.如何選擇能量的載體

　　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(shí)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(yùn)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(qiáng)

　　3)電子轉(zhuǎn)移比例要高

　　基于這3項(xiàng)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(dāng)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(dāng)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?，是稀有金屬中的稀有金?。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?yàn)檫@兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當(dāng)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(jì)”，最終都是殊途同歸的。

　　下面講講鋰離子電池的工作機(jī)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(diǎn)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(fù)極(-)，這里不講陽極和陰極，費(fèi)時費(fèi)力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)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(fù)極，與負(fù)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(fù)極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負(fù)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(fù)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(fù)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(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來回的移動，與正、負(fù)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(shí)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(fù)極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。

 

　　要實(shí)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(fù)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(fù)極不難理解，要實(shí)現(xiàn)電荷移動，就需要存在電位差的正負(fù)極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們知道，電池實(shí)際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實(shí)現(xiàn)這個過程，就需要正負(fù)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(shí)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(fù)極。

　

　　負(fù)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(fù)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(shí)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(shí)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。

 

　　金屬形態(tài)存在的鋰元素太“活潑”了，調(diào)皮的孩子多半都不聽話，喜歡搞破壞。早期針對鋰電池的研究，確實(shí)是集中以金屬鋰或其合金作為負(fù)極這個方向，但是因?yàn)榘踩珕栴}突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有“滿血復(fù)活”的趨勢，這個我們后面會講到。

為了實(shí)現(xiàn)能量存儲和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時候活潑，在需要穩(wěn)定的時候穩(wěn)定。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負(fù)極的活性物質(zhì)，解決了上述問題。如上圖所示，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)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會造成晶格坍塌。題外話，鋰金屬電池確實(shí)是有的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計(jì)，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。

　　當(dāng)然，在解決了穩(wěn)定性問題的同時，也帶來了嚴(yán)重的“副作用”，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個數(shù)量級，有得必有失，自然之道啊。

　　負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個相對優(yōu)解。