科普論文研學——鋰離子電池工作原理

鋰電池實際上分為兩種，一種是電池中使用了鋰金屬，一種是電池中不使用鋰金屬，而是使用能儲存鋰離子的材料。嚴格地說，前一種稱為鋰金屬電池，后一種叫鋰離子電池。現在我們稱為鋰電池的絕大多數是鋰離子電池。

鋰金屬于1817年被發現。在所有金屬中，鋰的密度最小(0.534 g·cm?3)、電極電勢最低(?3.04 V vs. SHE)。和使用其他金屬材料的電池相比，放出同樣電量時使用鋰金屬的電池重量最輕。從這個角度來說，鋰金屬非常適合作為電池的負極材料[1]。 因此，最先被發明出來的鋰電池中使用了鋰金屬作為負極。

1957年，法國工程師赫伯特和烏拉姆申請了鋰硫電池和鋰碘電池的專利，但是沒有成功商業化[2]。1972年，美國埃克森公司的惠廷漢姆(Stanley Whittingham)等人設計了以鋰金屬為負極、二硫化鈦為正極的可充電鋰電池，并被生產出來投入市場，然而沒多久它就因頻繁發生的爆炸事故黯然退市[3]。這是為什么呢？

放學嘍！ 小禮感覺渾身酸軟，恨不得趕緊飛到家里的床上美美睡上一覺。雖然每天在學校學習都能吸收新的知識，但是真消耗腦力和體力啊，學習哪是容易的事情呢？

放電原理：同學們都爭先恐后地跑出教室，趕往學校外面的碼頭。早一步坐上船，就能早點劃船回家啊。 這就是小禮周一到周五的生活軌跡——到學校學習(圖1(a))，回小區休息(圖2(a))。學習真是累啊，雖然每天到學校時小禮總是精神十足，但是認真學習了一天，能量真的消耗得差不多了。只有回到家里躺在舒服的床上睡上一大覺，才能讓小禮重新充滿快樂的能量。

充電原理：鋰離子電池的工作原理和小禮每天的學習和休息過程很相似。小區可看作鋰離子電池的負極，學校看作正極，在小區和學校之間的河流是電池的電解液，而河流中的溝渠可看作電池的隔膜，碼頭則是正極和負極活性材料顆粒(圖1(b)和圖2(b))。鋰電池的基本結構包含了正極、負極、電解液和隔膜。小禮到學校學習消耗能量就是鋰電池的放電過程(圖1(b))；回到家里休息收獲滿滿的能量就是鋰電池的充電過程(圖2(b))。

鋰離子在電池中來回運動，就像是在壓蹺蹺板或者在躺椅上搖來搖去。因此，鋰離子電池還有一個外號——“搖椅電池”[4]。

但要注意，鋰離子電池能夠充放電是因為負極中鋰離子和正極中鈷、鐵、鎳等金屬離子的氧化和還原，并不僅僅是因為鋰離子在電池正負極間來回移動。

沖啊！ 雖然小禮覺得很累，但還是鉚足了勁往前劃。可是有勁的同學多著呢，小禮被遠遠地落在后面。大家都想早早回到家里寫完作業，能看會兒電視或者玩會兒游戲呢。 等小禮劃到小區碼頭的時候，碼頭的棧橋上已經擠滿了熙熙攘攘的同學了。最快的同學已經跑回家了，后面的同學才著急呢。小禮放學前和同學約了做完作業玩會兒《原神》，于是跳下船就往棧橋上擠。奈何碼頭上的同學摩肩接踵，棧橋上都擠滿了同學。小禮一個不留神，“撲通”一下就掉到了河里(圖3(a))。

鋰枝晶生長：在鋰電池正常的充電過程中，鋰離子要進入負極的石墨顆粒內部的碳層間，接收來自正極的電子被還原為鋰原子。如果鋰離子不能及時進入石墨晶格，就會聚集在石墨顆粒表面，然后被還原為鋰原子，當鋰原子聚集地越來越多時(像碼頭上擠在一起的同學們)，它們就生長為樹枝一樣的金屬晶體(圖3(b))。鋰枝晶是鋰電池安全運行的死敵。鋰枝晶生長過長后，會刺破隔膜造成電池短路，短時間內產生大量熱量，造成電解液和電池材料燃燒，甚至發生爆炸。