汽車動力電池解析：手把手帶你認(rèn)識鋰離子電池（一）

　　2.鋰離子電池的工作原理

　　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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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)。

　　3.鋰離子電池的基本構(gòu)成

　　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。

　　上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢?這樣不是可以達(dá)到最大的能量密度嗎?

　　我們再看上面這張圖，氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)(圖中的比例和排列僅作參考)，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(shí)候活潑，在需要穩(wěn)定的時(shí)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(shí)，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。