手把手带你认识锂离子电池(一)

夏军

本文的特约作者夏军将《手把手带你认识锂离子电池》,该文章共分为四篇,我们将分期发表,其为第一篇

一、 前言

这里所说的锂离子电池特指可反复充电的二次锂离子电池,而不是用完就扔的一次电池。

锂离子电池分布在我们生活的每一个角落,其应用领域包括手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、移动电源(充电宝)、应急电源、剃须刀、电动自行车、电动汽车、电动公交车、旅游观光车、无人机,以及其他各类电动工具。作为电能的载体和众多设备的动力来源,可以说,离开了锂离子电池,当今的物质世界就玩不转了(除非我们想倒退回几十年前)。那么,锂离子电池到底是什么鬼?

本文不科普电池的基本原理和发展历史,有兴趣的请百度查询,这里头有很多故事。物理学和化学领域的基础理论,被爱因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了,电池跟这两个领域直接相关,与电池有关的理论,在二战之前就已经研究的差不多了,二战以后并无大的创新。作为电池技术的一种,锂离子电池的相关理论研究,近年来也没有什么突破性进展,大多数研究都集中在材料、配方、工艺等方面,也就是如何提高产业化的程度,研究出性能更优异的锂离子电池(存储能量更多,用的更久)。

手把手带你认识锂离子电池(一)

很多人在使用锂离子电池,很多人在研究锂离子电池的产品应用(如上面提到的产品),可是大多数人对锂离子电池知之甚少,或者总是雾里看花,不得要领。写本文的目的,不是为了给做锂离子电池研发的人看的,而是给那些在产品里面用到锂离子电池的工程技术人员或者锂离子电池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂,尽量不使用专业化的术语和公式,希望在轻松阅读之余,能够提升大家对锂离子电池的认识,起到答疑解惑的作用。

作者本人不是锂离子电池领域的专家,没有从事过锂离子电池单体的技术或产品研发,但曾长期从事锂离子电池的应用技术研究,因此希望站在“用户”的角度,来阐述我对锂离子电池的认识。普通用户,通常把锂离子电池直接叫作锂电池,虽然两者并不完全等同,但锂离子电池确实是当前锂电池的绝对主体。

文中大部分的内容,都不是本人的原创,而是已经存在的知识,站在巨人的肩膀上,我们要做的仅仅是站直身体,抬起头,世界就在我们眼前。

二、 锂离子电池的基本原理

1. 如何选择能量的载体

首先大家会问,为什么选择锂元素作为能量载体?

好吧,虽然我们不想去回顾化学的知识,可是这个问题必须得去元素周期表找答案,好在,大家总还记得元素周期表吧?!实在不记得,我们就花一分钟来看看下面的表吧。

手把手带你认识锂离子电池(一)

要想成为好的能量载体,就要以尽可能小的体积和重量,存储和搬运更多的能量。因此,需要满足下面几个基本条件:

1) 原子相对质量要小

2) 得失电子能力要强

3) 电子转移比例要高

基于这3项基本原则,元素周期表上面的元素比下面的元素要好,左边的元素比右边的元素要好。初步筛选,我们只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料:氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性气体和氧化剂,只剩下氢、锂、铍、硼、碳,这5个元素。

氢元素是自然界最好的能量载体,所以氢燃料电池的研究一直方兴未艾,代表了电池领域一个非常有前途的方向。当然,如果核裂变技术在未来几十年能够取得重大突破,可以做到小型化甚至微型化,那么便携式的核燃料电池将会有广阔的发展空间。

接下来就是锂了,选择锂元素来做电池,是基于地球当前的所有元素中,我们能够找到的相对优解(铍的储量太少了,是稀有金属中的稀有金属)。氢燃料电池与锂离子电池的技术路线之争,在电动汽车领域打的如火如荼,大概就是因为这两种元素,是我们目前能够找到的比较好的能量载体。当然,这里面还牵涉到很多的商业利益,甚至政治博弈,这些不是本文要讨论的范畴。

顺便说一下,自然界中已经存在的,并为人类广泛使用的能源,比如石油、天然气、煤炭等,其主要成分也是碳、氢、氧等元素(在元素周期表的第一周期和第二周期)。所以不管是自然的选择,还是人类的“设计”,最终都是殊途同归的。

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