鋰離子電池

鋰離子電池可以說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(shè)備提供電量，這些設(shè)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做出了巨大貢獻。

智能手機對電力的需求將在不到一個小時的時間內(nèi)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，觀看視頻，向朋友發(fā)送消息，收聽音樂，在網(wǎng)上購買一雙鞋子，獲得導(dǎo)航說明，并拍攝無數(shù)照片。

那么鋰離子電池有什么特別之處呢？他們的主要特點在于能量密度，大約是鎳鎘電池的兩倍；這意味著一半大小的鋰離子電池將提供相同的電量。它們緊湊小巧，這意味著它們比起啟動汽車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(dāng)今大多數(shù)便攜式電子設(shè)備供電。 圖片來源：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電極均由可以嵌入或“吸收”鋰離子（有點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(jié)構(gòu)內(nèi)而不會顯著干擾基質(zhì)的情況。在鋰離子電池的情況下，鋰離子會“束縛”在陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子上。當(dāng)電池放電時，嵌入的鋰離子從陽極釋放，然后穿過電解質(zhì)溶液，在陰極吸收（嵌入）。

鋰離子電池在完全放電的狀態(tài)下開始其壽命：所有鋰離子都嵌入陰極內(nèi)，并且其化學(xué)性質(zhì)尚無法產(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，在陰極發(fā)生氧化反應(yīng)，這意味著它會失去一些帶負(fù)電的電子。為了維持陰極中的電荷平衡，將相等數(shù)量的一些帶正電荷的嵌入鋰離子溶解到電解液中。它們行進到陽極，然后插入石墨中。這種嵌入反應(yīng)還將電子沉積到石墨陽極中，以“束縛”鋰離子。

在放電期間，鋰離子從陽極脫嵌，并通過電解質(zhì)返回到陰極。這也釋放了將它們束縛到陽極的電子，這些電子流過外部導(dǎo)線，提供了我們用來做功的電流。正是外線的連接使反應(yīng)得以進行-當(dāng)電子自由移動時，帶正電的鋰離子也將平衡其負(fù)電荷的運動。

當(dāng)陰極充滿鋰離子時，反應(yīng)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)中意味著溶液中包含鋰離子。這意味著單個鋰離子不必完成從陽極到陰極的完整行程即可完成電路。當(dāng)離子從陽極中被踢出時，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)生在充電過程中。

用于鋰離子陰極的微觀材料。 圖片來源：巴斯夫/ Flickr。

小而輕，可以在兩個電極中存儲（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，石墨中每六個碳原子可存儲一個鋰離子，并且有更多的鋰離子共享從陽極到陰極的行進（在充電循環(huán)中又返回），則有更多的電子平衡它們的運動并提供電流。

鋰離子在電極之間的轉(zhuǎn)移發(fā)生的電壓要比其他類型的電池高得多，并且由于它們必須由相等數(shù)量的電子平衡，因此單個鋰離子電池可以產(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。一個標(biāo)準(zhǔn)的鉛酸汽車電池需要六個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，因此將一個鋰離子電池在一個地方堆疊在一起所產(chǎn)生的電池組比其他類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(dá)到相當(dāng)高的電壓，例如運行電動汽車所需的電壓。

當(dāng)然，我們所有的汽車都已經(jīng)裝有電池，但它們只是使汽油或柴油發(fā)動機運轉(zhuǎn)，然后燃料完成了所有工作。電動汽車的電池是其全部能量來源，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)生足夠的電壓來運行電動汽車。圖片來源：HåkanDahlström/ Flickr。

陽極通常是石墨。然而，將鋰離子重復(fù)插入典型的鋰離子電池中的標(biāo)準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)中最終使石墨破裂。這會降低電池的性能，并且石墨陽極最終會損壞，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(shè)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(dǎo)電材料。在早期設(shè)計中，聚合物的導(dǎo)電性很差，因此除非加熱到60攝氏度左右，否則它就無法促進離子交換，因此現(xiàn)在添加少量的凝膠可避免此問題。 

鋰聚合物電池可以使用在鋰離子電池中發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)提供不同的功能，通常在效率，成本和安全性之間進行權(quán)衡。 

鋰離子電池對于我們的日常生活至關(guān)重要。它們將在未來一段時間與我們在一起，因為它們目前是為電動汽車提供動力并存儲由風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的能量的最佳選擇，以便在風(fēng)不吹或太陽不照耀的時候使用。 

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