汽車(chē)動(dòng)力電池解析：手把手帶你認識鋰離子電池（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理。這里不闡述氧化還原反應，化學(xué)基礎不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識還給老師的人，看到這些專(zhuān)業(yè)的東西就會(huì )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。

　　我們按照使用的習慣，根據充放電時(shí)的電壓差區分正極(+)和負極(-)，這里不講陽(yáng)極和陰極，費時(shí)費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負極材料是石墨(C)。

　　充電的時(shí)候，在外加電場(chǎng)的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來(lái)，變成帶正電荷的鋰離子(Li+)，在電場(chǎng)力的作用下，從正極移動(dòng)到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應，生成LiC6，于是從正極跑出來(lái)的鋰離子就很“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來(lái)轉移到負極的鋰離子越多，這個(gè)電池可以存儲的能量就越多。

　　放電的時(shí)候剛好相反，內部電場(chǎng)轉向，鋰離子(Li+)從負極脫離出來(lái)，順著(zhù)電場(chǎng)的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子(LiCoO2)。從負極跑出來(lái)轉移到正極的鋰離子越多，這個(gè)電池可以釋放的能量就越多。

　　在每一次充放電循環(huán)過(guò)程中，鋰離子(Li+)充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來(lái)回的移動(dòng)，與正、負極材料發(fā)生化學(xué)反應，將化學(xué)能和電能相互轉換，實(shí)現了電荷的轉移，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(gè)循環(huán)過(guò)程中，并沒(méi)有電子在正負極之間的來(lái)回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應。

　　3.鋰離子電池的基本構成

　　要實(shí)現上述的功能，鋰離子電池內部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡(jiǎn)單論述，這些材料都是干嘛的。

　　正負極不難理解，要實(shí)現電荷移動(dòng)，就需要存在電位差的正負極材料，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)能相互轉換，以實(shí)現能量的存儲和釋放。要實(shí)現這個(gè)過(guò)程，就需要正負極的材料很“容易”參與化學(xué)反應，要活潑，要容易氧化和還原，從而實(shí)現能量轉換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來(lái)做電池的正負極。

　　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(lái)做電極的活性物質(zhì)呢?這樣不是可以達到最大的能量密度嗎?

　　我們再看上面這張圖，氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構成了非常穩定的正極材料結構(圖中的比例和排列僅作參考)，負極石墨的碳原子排列也具有非常穩定的層狀結構。正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩定的結構，才能實(shí)現有序的，可控的化學(xué)反應。不穩定的結果是什么?想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個(gè)化學(xué)反應的過(guò)程實(shí)際上是無(wú)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，調皮的孩子多半都不聽(tīng)話(huà)，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極這個(gè)方向，但是因為安全問(wèn)題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來(lái)，隨著(zhù)人們對能量密度的追求，這個(gè)研究方向又有“滿(mǎn)血復活”的趨勢，這個(gè)我們后面會(huì )講到。

　　為了實(shí)現能量存儲和釋放過(guò)程中的化學(xué)穩定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長(cháng)壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時(shí)候活潑，在需要穩定的時(shí)候穩定。經(jīng)過(guò)長(cháng)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，作為電池正極或負極的活性物質(zhì)，解決了上述問(wèn)題。如上圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結構也是一種非常穩定的正極材料結構，充放電過(guò)程中鋰離子的脫嵌，并不會(huì )造成晶格坍塌。題外話(huà)，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，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場(chǎng)。

　　當然，在解決了穩定性問(wèn)題的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴重的“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(gè)數量級，有得必有失，自然之道啊。