簡述鋰離子電池的基本原理
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-31 17:07
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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
3)電子轉(zhuǎn)移比例要高
基于這3項基本原則，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，代表了電池領域一個非常有前途的方向。當然，如果核裂變技術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路線之爭，在電動汽車領域打的如火如荼，大概就是因為這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當然，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“設計”，最終都是殊途同歸的。
下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應，化學基礎不好的，或者已經(jīng)把化學知識還給老師的人，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。
我們按照使用的習慣，根據(jù)充放電時的電壓差區(qū)分正極(+)和負極(-)，這里不講陽極和陰極，費時費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負極材料是石墨(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，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學反應，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，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+)充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學反應，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(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，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。
