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    什么是鋰離子電池?其工作原理是什么?

    鉅大LARGE  |  點擊量:1381次  |  2020年11月26日  

    鋰離子電池是一種二次電池(即可反復充放電的電池),它重要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+(鋰離子)在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌,因為鋰離子在正極和負極材料中儲存時能量不同,而該能量差就是鋰離子電池能存儲/釋放的電量:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態,正極處于脫鋰狀態;放電時則相反。下圖就是鋰離子電池工作的典型示意圖,其使用的反應體系為最經典的鈷酸鋰正極-石墨負極。


    在該電池中,以充電過程為例正負極的具體反應如下:


    LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-


    6C+xLi++xe-=LixC6


    因為材料本體的性質局限,在正極的反應過程中,鈷酸鋰一般情況下只能脫出0.5個鋰離子,再多則會導致結構坍塌損壞,因此一般情況下鈷酸鋰的理論容量上限只有140mAh/g左右,而負極石墨的理論密度為360mAh/g。再加上鈷酸鋰的放電的平均電壓為3.7V(實際上是從4.2V的充滿電最高電壓逐漸下降到3V左右,3.7V為平均值),同時,考慮到石墨負極很低的電位值,以及電池中各種其它元件的占比,最后可以得到我們用的鋰離子電池(例:手機)的能量密度大約是160Wh/kg左右。


    能量密度關于各種電池都是最為基礎的核心參數,必須而且應該是公開透明數據。然目前常用鋰離子電池中,由于取決材料、技術體系不同,能量密度可以從幾十(比如鈦酸鋰)到200Wh/kg左右。一旦這個數值極高(或極低),就值得重點關注了:一方面,在技術人員的努力下,做出了較高的能量密度,可能技術上有突破,值得慶祝;另一方面,不排除有部分人士商家存在性能夸大現象。假如能量密度數據不輕易標出,則消費者購買/投資人投資前就需謹慎思考(因為謹慎推測:不愿意標注的多半是因為該性能不佳)。電池的基礎是電化學科學,而關于這一領域,有一個樸素但是最為基本的原理:任何一種電池,其存儲能量的機理均需寫出一個相應的電化反應方程式,如此才能了解其電壓情況,判斷其理論極限能量密度等,而且這些關于電池而言都只是最基本信息。不論此電池技術有多新(或只是相關人士所說的新),其原理都必須能寫成化學方程式,落實在紙面上,如此才可以經得起學界、工業界常識的檢驗。


    筆者近來有友被推銷一種電池,然而推銷人士卻對最基本電池反應原理三緘其口,因為怕泄密,同時說出一些違反電化學基本常識的理論,因此購買與采用該技術前還是建議要做仔細調研,謹慎行事。因為就電池而言,電化學反應機理是最基本信息,要公開透明,而且這還僅僅是第一步在具有科學理論基礎后,想要實用化,電池工程技術真正的壁壘在于對材料、整體結構以及工藝的優化。即使基礎原理清楚,還需考慮實現難度,畢竟新技術工程化的艱辛是遠超出很多人的想像的。近幾十年來我國工業取得如此大成就得益于技術人員的辛勤積累,不懈堅持與嚴謹鉆研。我國的電池工業能有目前的成就,同樣離不開腳踏實地的實干精神和在工業工程化中的辛勤探索。


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