鋰離子電池

鋰離子電池可以說(shuō)是我們最友好的電池朋友，它能夠給我們的手機和筆記本電腦等設備提供電量，這些設備為改變我們的工作方式以及與我們的朋友，同事，零售商甚至陌生人的互動(dòng)做出了巨大貢獻。

智能手機對電力的需求將在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內使鎳鎘或鎳氫電池變平，但是借助鋰離子化學(xué)技術(shù)的高效性，我們一整天和媽媽聊天，觀(guān)看視頻，向朋友發(fā)送消息，收聽(tīng)音樂(lè )，在網(wǎng)上購買(mǎi)一雙鞋子，獲得導航說(shuō)明，并拍攝無(wú)數照片。

那么鋰離子電池有什么特別之處呢？他們的主要特點(diǎn)在于能量密度，大約是鎳鎘電池的兩倍；這意味著(zhù)一半大小的鋰離子電池將提供相同的電量。它們緊湊小巧，這意味著(zhù)它們比起啟動(dòng)汽車(chē)的重型鉛酸電池更適合便攜式電子產(chǎn)品。

鋰離子電池為當今大多數便攜式電子設備供電。 圖片來(lái)源：Edvvc / Flickr。

鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)如何使其在競爭者中脫穎而出？

鋰離子電池化學(xué)

鋰離子電池中的兩個(gè)電極均由可以嵌入或“吸收”鋰離子（有點(diǎn)像鎳氫電池中的氫離子）的材料制成。插層是指元素的帶電離子可以“保留”在基質(zhì)材料的結構內而不會(huì )顯著(zhù)干擾基質(zhì)的情況。在鋰離子電池的情況下，鋰離子會(huì )“束縛”在陽(yáng)極結構內的電子上。當電池放電時(shí)，嵌入的鋰離子從陽(yáng)極釋放，然后穿過(guò)電解質(zhì)溶液，在陰極吸收（嵌入）。

鋰離子電池在完全放電的狀態(tài)下開(kāi)始其壽命：所有鋰離子都嵌入陰極內，并且其化學(xué)性質(zhì)尚無(wú)法產(chǎn)生任何電能。在使用電池之前，需要先對其充電。電池充電時(shí)，在陰極發(fā)生氧化反應，這意味著(zhù)它會(huì )失去一些帶負電的電子。為了維持陰極中的電荷平衡，將相等數量的一些帶正電荷的嵌入鋰離子溶解到電解液中。它們行進(jìn)到陽(yáng)極，然后插入石墨中。這種嵌入反應還將電子沉積到石墨陽(yáng)極中，以“束縛”鋰離子。

在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極脫嵌，并通過(guò)電解質(zhì)返回到陰極。這也釋放了將它們束縛到陽(yáng)極的電子，這些電子流過(guò)外部導線(xiàn)，提供了我們用來(lái)做功的電流。正是外線(xiàn)的連接使反應得以進(jìn)行-當電子自由移動(dòng)時(shí)，帶正電的鋰離子也將平衡其負電荷的運動(dòng)。

當陰極充滿(mǎn)鋰離子時(shí)，反應停止，電池電量耗盡。然后，我們再次為鋰離子電池充電，并且施加的外部電荷將鋰離子從陰極推回到陽(yáng)極。

鋰離子電池中的電解質(zhì)通常是鋰鹽在旨在改善電池性能的溶劑（例如碳酸二甲酯或碳酸二乙酯）混合物中的溶液。將鋰鹽溶解在電解質(zhì)中意味著(zhù)溶液中包含鋰離子。這意味著(zhù)單個(gè)鋰離子不必完成從陽(yáng)極到陰極的完整行程即可完成電路。當離子從陽(yáng)極中被踢出時(shí)，已經(jīng)在電極表面附近的電解質(zhì)中伸出的其他離子很容易被吸收（嵌入）到陰極中。反之則發(fā)生在充電過(guò)程中。

用于鋰離子陰極的微觀(guān)材料。 圖片來(lái)源：巴斯夫/ Flickr。

小而輕，可以在兩個(gè)電極中存儲（嵌入）很多鋰。這就是使鋰離子電池具有高能量密度的原因。例如，石墨中每六個(gè)碳原子可存儲一個(gè)鋰離子，并且有更多的鋰離子共享從陽(yáng)極到陰極的行進(jìn)（在充電循環(huán)中又返回），則有更多的電子平衡它們的運動(dòng)并提供電流。

鋰離子在電極之間的轉移發(fā)生的電壓要比其他類(lèi)型的電池高得多，并且由于它們必須由相等數量的電子平衡，因此單個(gè)鋰離子電池可以產(chǎn)生3.6伏或更高的電壓，具體取決于在正極材料上。典型的堿性電池僅產(chǎn)生約1.5伏的電壓。一個(gè)標準的鉛酸汽車(chē)電池需要六個(gè)2伏電池堆疊在一起才能產(chǎn)生12伏電壓。

由于它們的高能量密度和相對輕便的特性，因此將一個(gè)鋰離子電池在一個(gè)地方堆疊在一起所產(chǎn)生的電池組比其他類(lèi)型的電池組要輕得多且緊湊。如果我們將足夠多的鋰離子電池堆疊在一起，則可以達到相當高的電壓，例如運行電動(dòng)汽車(chē)所需的電壓。

當然，我們所有的汽車(chē)都已經(jīng)裝有電池，但它們只是使汽油或柴油發(fā)動(dòng)機運轉，然后燃料完成了所有工作。電動(dòng)汽車(chē)的電池是其全部能量來(lái)源，這使它不愿意爬上陡峭的山坡。因此，它通常將具有96伏或更高的電壓，即使使用鋰離子電池的高電壓，也需要將許多電池堆疊在一起。

將鋰離子電池堆疊在一起可以產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)運行電動(dòng)汽車(chē)。圖片來(lái)源：HåkanDahlström/ Flickr。

陽(yáng)極通常是石墨。然而，將鋰離子重復插入典型的鋰離子電池中的標準石墨結構中最終使石墨破裂。這會(huì )降低電池的性能，并且石墨陽(yáng)極最終會(huì )損壞，并且電池將停止工作。研究人員正在研究使用石墨烯（碳的單原子厚片）而不是石墨的選擇方案。您將更多地了解石墨烯，以及在即將到來(lái)的Nova主題中石墨烯為什么很棒。

就用于陰極的材料而言，存在很多變化-通常由鋰，氧和某種金屬的組合制成。

鋰聚合物電池

用固體電解質(zhì)代替鋰離子電池中的液體電解質(zhì)可提高電池的安全性并使其更輕。由于聚合物本身非常薄，因此它在形狀和設計方面也具有更大的靈活性，不必包含在堅固的外殼中，并且可以使其非常緊湊。

聚合物電解質(zhì)是仍然允許離子交換的非導電材料。在早期設計中，聚合物的導電性很差，因此除非加熱到60攝氏度左右，否則它就無(wú)法促進(jìn)離子交換，因此現在添加少量的凝膠可避免此問(wèn)題。 

鋰聚合物電池可以使用在鋰離子電池中發(fā)現的任何電極組合。只是電解質(zhì)有所不同。  

就像一般電池具有各種形狀，尺寸和化學(xué)性質(zhì)一樣，鋰離子電池也是如此。它們的各種不同的化學(xué)和結構提供不同的功能，通常在效率，成本和安全性之間進(jìn)行權衡。 

鋰離子電池對于我們的日常生活至關(guān)重要。它們將在未來(lái)一段時(shí)間與我們在一起，因為它們目前是為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力并存儲由風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)生的能量的最佳選擇，以便在風(fēng)不吹或太陽(yáng)不照耀的時(shí)候使用。 

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