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发布时间:2018-11-05
出品:科普中国
制作:中科院物理所科学传播协会 立青
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  人类社会的发展离不开能源,几次工业革命的发展都依赖于储能技术的发展。今天,锂离子电池为全世界提供着电力,从智能手机到电动汽车,锂离子电池已经无处不在,它为日益机动的世界扫平了障碍。 

  与其他商业化的可充放电池相比,锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全可靠等优点,成为了各国科学家努力研究的重要方向。[1-2] 

不同的电池技术在体积和重量能量密度方面的对比[2](图片来源:中国科学院金属研究所科普网站) 

  锂离子电池是一种二次电池(可充电电池),主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。在电池内部,带电的原子,也被称为离子,沿着两个电极之间的路径运动,并产生电流。 

正在充电的锂离子电池(图片来源:中国科学院金属研究所科普网站) 

  锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充电过程中,锂离子从正极材料中脱出,经过电解液传输至负极,电子由负极经外电路转移至正极;而在放电过程中,锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。 

  在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中,其正极是钴酸锂材料,负极是碳材料。下面附上一个关于介绍锂离子电池原理的视频,可以让大家更好的了解锂离子电池。 

  1912年锂金属电池最早由吉尔伯特·牛顿·路易士(Gilbert N. Lewis提出并研究,但由于锂金属的化学性质非常活泼,使得锂金属的加工、保存和使用对环境要求非常高,使得锂电池长期没有得到应用。 

  20世纪70年代,美国爆发石油危机,政府意识到对石油进口的过度依耐性,开始大力发展太阳能和风能。但由于太阳能和风能的间歇性特点,最终还是需要可充电电池来储存这些可再生的清洁能源。此时,宾汉姆顿大学化学教授斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham在纽约起草了锂电池的初始设计方案,采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个新型锂电池。 

  锂离子电池是由锂电池发展而来,随着科学技术的发展,现在锂离子电池已经成为了主流。 

  锂离子电池的基本概念,始于1972 米歇尔·阿曼德(M. Armand等提出的“摇椅式”电池(rocking chair battery)。[3] 

  在锂离子电池的研究中,正负极材料的研发,是锂离子电池发展的关键所在,有五位杰出的科学家在此方面做出了重要的开创性贡献,特别是美国奥斯汀得克萨斯大学机械工程及电子工程系教授约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough为现在商业化正极材料的发展做出了卓越的贡献。[4] 

约翰·班尼斯特·古迪纳夫(图片来源:维基百科) 

  他在57岁时建造了锂离子电池的神经系统,钴酸锂(LiCoO2正极材料是他的智慧结晶。他的这一材料,几乎存在于当前每一款流通的便携式电子设备中。 

  另一个重要的正极材料磷酸铁锂(LiFePO4也是他的重要贡献之一。1997年,以他为主的研究群报导了磷酸铁锂可逆地迁入脱出锂的特性。磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料,不含任何对人体有害的重金属元素。 

  作为钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料的发明人,古迪纳夫在锂离子电池领域声名卓著,是名副其实的“锂离子电池之父”。今年,已经96岁高龄的古迪纳夫先生在Nature Electronics上刊文,回顾了可充电锂离子电池的发明历史,并对未来发展指明了道路。 

商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间[4](图片来源:中国科学院金属研究所科普网站) 

  正极材料的研究成果,最终指引日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei以及名城大学的旭化成(Akira Yoshino教授制备出了第一个可充电锂离子电池:以钴酸锂作锂源正极材料、石油焦作负极材料、六氟磷酸锂(LiPF6)溶于丙烯碳酸酯(PC)和乙烯碳酸酯(EC)作电解液的可充放二次锂离子电池。 

  这个电池成功应用到索尼公司最早期移动电话中,并在1991年开始商业化生产,标志着锂离子电池时代的到来。[5] 

  在这随后的每天里,世界各地的科学家们都在测试和开发更为高效和安全的锂离子电池。 

  如今,锂离子电池已经遍布在我们生活的方方面面——手机、电脑、电动车等,都离不开锂离子电池。那么在使用锂离子电池,特别是手机电池时,我们应该注意哪些问题呢?(这个问题问得好) 

图片来源:微博 

  1. 不要让你们的手机电量耗尽甚至自动关机,因为这样会损坏你的电池,而减少它的使用寿命。 

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  当然,也不要通宵达旦一致对自己的手机充电,虽然现在的电池已经拥有了过度充放电保护电路,但是在有些电池中,还是有可能出现过度充电的情况,严重影响着电池的使用寿命。 

  2. 要避免在较低温度和较高温度的环境下使用手机等电子产品,因为电池内部是依靠化学反应进行充放电过程的,低温会使相应的化学反应速率变慢,从而影响电量的变化。当然啦,高温(高于40℃)情况下也是不建议使用的,也要避免接触热源和太阳的直接照射,比较高温下电池内部的化学环境会发生一些不可逆的改变,严重影响着电池的容量。 

  科学家也在积极探索解决电池在高温和低温环境下使用的问题,相信在不久的将来,这一问题会得到很好的解决。 

图片来源:微博 

  3. 要避免对你的手机等电子产品使用“暴力”,这样很有可能造成电池的短路,从而产生泄露、发热等危险。 

  锂离子电池的发展还在不断向前,甚至延伸出钠离子电池等新的离子电池系列,开发高容量、高安全性和低成本的离子电池将一致是世界各国科学家奋斗的目标。 

  参考文献 

  1. Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657. 

  2. Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367. 

  3. Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980. 

  4. 李泓, 锂离子电池基础科学问题(XV)——总结和展望. 储能科学与技术 2015, 4 (3), 306-318. 

  5. Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413. 

    

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权) 

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