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(jī)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(dòng)做出了巨大貢獻(xiàn)。

智能手機(jī)對(duì)電力的需求將在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)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(gòu)買一雙鞋子，獲得導(dǎo)航說(shuō)明，并拍攝無(wú)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(diǎn)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(dòng)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(lái)源：Edvvc / Flickr。

鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)如何使其在競(jìng)爭(zhēng)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(jié)構(gòu)內(nèi)而不會(huì)顯著干擾基質(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(jié)構(gòu)內(nèi)的電子上。當(dāng)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(wú)法產(chǎn)生任何電能。在使用電池之前，需要先對(duì)其充電。電池充電時(shí)，在陰極發(fā)生氧化反應(yīng)，這意味著它會(huì)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(jìn)到陽(yáng)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(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(dǎo)線，提供了我們用來(lái)做功的電流。正是外線的連接使反應(yīng)得以進(jìn)行-當(dāng)電子自由移動(dòng)時(shí)，帶正電的鋰離子也將平衡其負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)陰極充滿鋰離子時(shí)，反應(yīng)停止，電池電量耗盡。然后，我們?cè)俅螢殇囯x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)中意味著溶液中包含鋰離子。這意味著單個(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(dāng)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(chǔ)（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(chǔ)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(yùn)動(dòng)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(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(biāo)準(zhǔn)的鉛酸汽車電池需要六個(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(duì)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(yùn)行電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后燃料完成了所有工作。電動(dòng)汽車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(yùn)行電動(dòng)汽車。圖片來(lái)源：HåkanDahlström/ Flickr。

陽(yáng)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(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(shè)計(jì)方面也具有更大的靈活性，不必包含在堅(jiān)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(jì)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(wú)法促進(jìn)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(jìn)行權(quán)衡。 

鋰離子電池對(duì)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?cè)谝黄?，因?yàn)樗鼈兡壳笆菫殡妱?dòng)汽車提供動(dòng)力并存儲(chǔ)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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