锂電(diàn)池已經與我們生(shēng)活息息相關，我們吃(chī)穿住行(xíng)都與之有(yǒu)着千絲萬縷的關系，但(dàn)是很(hěn)多(duō)人(rén)卻對锂電(diàn)池并不了解，這并不局限于普通(tōng)的消費者，即使是各種電(diàn)器(qì)的設計(jì)師(shī)對于锂電(diàn)池也是一知半解。下面惟尚将和(hé)大(dà)家(jiā)一起分享下關于锂電(diàn)池知識的系列文章，通(tōng)過這些(xiē)文章大(dà)家(jiā)将對锂電(diàn)池産生(shēng)一個(gè)系統的認識。
四、《锂電(diàn)池的能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率》
一、前言
這裏所說的锂離子電(diàn)池特指可(kě)反複充電(diàn)的二次锂離子電(diàn)池，而不是用完就扔的一次電(diàn)池。
锂離子電(diàn)池分布在我們生(shēng)活的每一個(gè)角落，其應用領域包括手機、平闆電(diàn)腦(nǎo)、筆記本電(diàn)腦(nǎo)、智能手表、移動電(diàn)源(充電(diàn)寶)、應急電(diàn)源、剃須刀、電(diàn)動自行(xíng)車(chē)、電(diàn)動汽車(chē)、電(diàn)動公交車(chē)、旅遊觀光車(chē)、無人(rén)機，以及其他各類電(diàn)動工具。作(zuò)為(wèi)電(diàn)能的載體(tǐ)和(hé)衆多(duō)設備的動力來(lái)源，可(kě)以說，離開(kāi)了锂離子電(diàn)池，當今的物質世界就玩不轉了(除非我們想倒退回幾十年前)。那(nà)麽，锂離子電(diàn)池到底是什麽鬼？
本文不科普電(diàn)池的基本原理(lǐ)和(hé)發展曆史，有(yǒu)興趣的請(qǐng)百度查詢，這裏頭有(yǒu)很(hěn)多(duō)故事。物理(lǐ)學和(hé)化學領域的基礎理(lǐ)論，被愛(ài)因斯坦之前的那(nà)一波人(rén)基本上(shàng)搞得(de)七七八 八了，電(diàn)池跟這兩個(gè)領域直接相關，與電(diàn)池有(yǒu)關的理(lǐ)論，在二戰之前就已經研究的差不多(duō)了，二戰以後并無大(dà)的創新。作(zuò)為(wèi)電(diàn)池技(jì)術(shù)的一種，锂離子電(diàn)池的相關理(lǐ)論 研究，近年來(lái)也沒有(yǒu)什麽突破性進展，大(dà)多(duō)數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高(gāo)産業化的程度，研究出性能更優異的锂離子電(diàn)池(存儲能量更 多(duō)，用的更久)。
很(hěn)多(duō)人(rén)在使用锂離子電(diàn)池，很(hěn)多(duō)人(rén)在研究锂離子電(diàn)池的産品應用(如上(shàng)面提到的産品)，可(kě)是大(dà)多(duō)數(shù)人(rén)對锂離子電(diàn)池知之甚少(shǎo)，或者總是霧裏看花(huā)，不得(de)要領。寫 本文的目的，不是為(wèi)了給做(zuò)锂離子電(diàn)池研發的人(rén)看的，而是給那(nà)些(xiē)在産品裏面用到锂離子電(diàn)池的工程技(jì)術(shù)人(rén)員或者锂離子電(diàn)池的使用者看的。所以本文力求通(tōng)俗易 懂，盡量不使用專業化的術(shù)語和(hé)公式，希望在輕松閱讀之餘，能夠提升大(dà)家(jiā)對锂離子電(diàn)池的認識，起到答(dá)疑解惑的作(zuò)用。
作(zuò)者本人(rén)不是锂離子電(diàn)池領域的專家(jiā)，沒有(yǒu)從事過锂離子電(diàn)池單體(tǐ)的技(jì)術(shù)或産品研發，但(dàn)曾長期從事锂離子電(diàn)池的應用技(jì)術(shù)研究，因此希望站(zhàn)在“用戶”的角度，來(lái)闡述我對锂離子電(diàn)池的認識。普通(tōng)用戶，通(tōng)常把锂離子電(diàn)池直接叫作(zuò)锂電(diàn)池，雖然兩者并不完全等同，但(dàn)锂離子電(diàn)池确實是當前锂電(diàn)池的絕對主體(tǐ)。
文中大(dà)部分的內(nèi)容，都不是本人(rén)的原創，而是已經存在的知識，站(zhàn)在巨人(rén)的肩膀上(shàng)，我們要做(zuò)的僅僅是站(zhàn)直身體(tǐ)，擡起頭，世界就在我們眼前。
二、锂離子電(diàn)池的基本原理(lǐ)
1.如何選擇能量的載體(tǐ)
首先大(dà)家(jiā)會(huì)問，為(wèi)什麽選擇锂元素作(zuò)為(wèi)能量載體(tǐ)？
好吧(ba)，雖然我們不想去回顧化學的知識，可(kě)是這個(gè)問題必須得(de)去元素周期表找答(dá)案，好在，大(dà)家(jiā)總還(hái)記得(de)元素周期表吧(ba)？！實在不記得(de)，我們就花(huā)一分鍾來(lái)看看下面的表吧(ba)。
要想成為(wèi)好的能量載體(tǐ)，就要以盡可(kě)能小(xiǎo)的體(tǐ)積和(hé)重量，存儲和(hé)搬運更多(duō)的能量。因此，需要滿足下面幾個(gè)基本條件：
1)原子相對質量要小(xiǎo)
2)得(de)失電(diàn)子能力要強
3)電(diàn)子轉移比例要高(gāo)
基于這3項基本原則，元素周期表上(shàng)面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們隻能在元素周期表的第一周期和(hé)第二周期裏面去找材料：氫、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體(tǐ)和(hé)氧化劑，隻剩下氫、锂、铍、硼、碳，這5個(gè)元素。
氫元素是自然界最好的能量載體(tǐ)，所以氫燃料電(diàn)池的研究一直方興未艾，代表了電(diàn)池領域一個(gè)非常有(yǒu)前途的方向。當然，如果核裂變技(jì)術(shù)在未來(lái)幾十年能夠取得(de)重大(dà)突破，可(kě)以做(zuò)到小(xiǎo)型化甚至微型化，那(nà)麽便攜式的核燃料電(diàn)池将會(huì)有(yǒu)廣闊的發展空(kōng)間(jiān)。
接下來(lái)就是锂了，選擇锂元素來(lái)做(zuò)電(diàn)池，是基于地球當前的所有(yǒu)元素中，我們能夠找到的相對優解(铍的儲量太少(shǎo)了，是稀有(yǒu)金屬中的稀有(yǒu)金屬)。氫燃料電(diàn)池與锂離子電(diàn)池的技(jì)術(shù)路線之争，在電(diàn)動汽車(chē)領域打的如火(huǒ)如荼，大(dà)概就是因為(wèi)這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體(tǐ)。當然，這裏面還(hái)牽涉到很(hěn)多(duō)的商業利益，甚至政治博弈，這些(xiē)不是本文要討(tǎo)論的範疇。
順便說一下，自然界中已經存在的，并為(wèi)人(rén)類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其主要成分也是碳、氫、氧等元素(在元素周期表的第一周期和(hé)第二周期)。所以不管是自然的選擇，還(hái)是人(rén)類的“設計(jì)”，最終都是殊途同歸的。
2.锂離子電(diàn)池的工作(zuò)原理(lǐ)
下面講講锂離子電(diàn)池的工作(zuò)機理(lǐ)。這裏不闡述氧化還(hái)原反應，化學基礎不好的，或者已經把化學知識還(hái)給老師(shī)的人(rén)，看到這些(xiē)專業的東西就會(huì)頭暈，所以我們還(hái)是搞點直白的描述。這裏借用一張圖，這張圖比較容易讓人(rén)理(lǐ)解锂離子電(diàn)池的原理(lǐ)。
我們按照使用的習慣，根據充放電(diàn)時(shí)的電(diàn)壓差區(qū)分正極(+)和(hé)負極(-)，這裏不講陽極和(hé)陰極，費時(shí)費力。這張圖上(shàng)，電(diàn)池的正極材料是钴酸锂(LiCoO2)，負極材料是石墨(C)。
充電(diàn)的時(shí)候，在外加電(diàn)場(chǎng)的影(yǐng)響下，正極材料LiCoO2分子裏面的锂元素脫離出來(lái)，變成帶正電(diàn)荷的锂離子(Li+)，在電(diàn)場(chǎng)力的作(zuò)用下，從正極移動到負 極，與負極的碳原子發生(shēng)化學反應，生(shēng)成LiC6，于是從正極跑出來(lái)的锂離子就很(hěn)“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來(lái)轉移到負極的锂離子 越多(duō)，這個(gè)電(diàn)池可(kě)以存儲的能量就越多(duō)。
放電(diàn)的時(shí)候剛好相反，內(nèi)部電(diàn)場(chǎng)轉向，锂離子(Li+)從負極脫離出來(lái)，順着電(diàn)場(chǎng)的方向，又跑回到正極，重新變成钴酸锂分子(LiCoO2)。從負極跑出來(lái)轉移到正極的锂離子越多(duō)，這個(gè)電(diàn)池可(kě)以釋放的能量就越多(duō)。
在每一次充放電(diàn)循環過程中，锂離子(Li+)充當了電(diàn)能的搬運載體(tǐ)，周而複始的從正極→負極→正極來(lái)回的移動，與正、負極材料發生(shēng)化學反應，将化學能和(hé) 電(diàn)能相互轉換，實現了電(diàn)荷的轉移，這就是“锂離子電(diàn)池”的基本原理(lǐ)。由于電(diàn)解質、隔離膜等都是電(diàn)子的絕緣體(tǐ)，所以這個(gè)循環過程中，并沒有(yǒu)電(diàn)子在正負極之間(jiān) 的來(lái)回移動，它們隻參與電(diàn)極的化學反應。
3.锂離子電(diàn)池的基本構成
要實現上(shàng)述的功能，锂離子電(diàn)池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質、負極活性物質、隔離膜、電(diàn)解質。下面做(zuò)簡單論述，這些(xiē)材料都是幹嘛的。
正負極不難理(lǐ)解，要實現電(diàn)荷移動，就需要存在電(diàn)位差的正負極材料，那(nà)麽什麽是活性物質？我們知道(dào)，電(diàn)池實際上(shàng)是将電(diàn)能和(hé)化學能相互轉換，以實現能量的存 儲和(hé)釋放。要實現這個(gè)過程，就需要正負極的材料很(hěn)“容易”參與化學反應，要活潑，要容易氧化和(hé)還(hái)原，從而實現能量轉換，所以我們需要“活性物質”來(lái)做(zuò)電(diàn)池 的正負極。
上(shàng)面已經提到，锂元素是我們做(zuò)電(diàn)池的優選材料，那(nà)麽為(wèi)什麽不用金屬锂來(lái)做(zuò)電(diàn)極的活性物質呢？這樣不是可(kě)以達到最大(dà)的能量密度嗎？
我們再看上(shàng)面這張圖，氧(O)、钴(Co)、锂(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(hé)排列僅作(zuò)參考)，負極石墨的碳原子排列也具 有(yǒu)非常穩定的層狀結構。正負極材料不但(dàn)要活潑，還(hái)要具有(yǒu)非常穩定的結構，才能實現有(yǒu)序的，可(kě)控的化學反應。不穩定的結果是什麽？想想汽油燃燒和(hé)炸彈爆炸， 能量劇(jù)烈釋放，這個(gè)化學反應的過程實際上(shàng)是無法人(rén)為(wèi)去精确控制(zhì)的，于是化學能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可(kě)逆。
金屬形态存在的锂元素太“活潑”了，調皮的孩子多(duō)半都不聽(tīng)話(huà)，喜歡搞破壞。早期針對锂電(diàn)池的研究，确實是集中以金屬锂或其合金作(zuò)為(wèi)負極這個(gè)方向，但(dàn)是因為(wèi)安全問題突出，不得(de)不尋找其他更好的路徑。近年來(lái)，随着人(rén)們對能量密度的追求，這個(gè)研究方向又有(yǒu)“滿血複活”的趨勢，這個(gè)我們後面會(huì)講到。
為(wèi)了實現能量存儲和(hé)釋放過程中的化學穩定性，即電(diàn)池充放電(diàn)循環的安全性和(hé)長壽命，我們需要一種電(diàn)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。經過長期的研究和(hé)探索，人(rén)們找到了幾種锂的金屬氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸鐵(tiě)锂、錳酸锂、鎳钴錳三元等材料，作(zuò)為(wèi)電(diàn)池正極或負極的活性物質，解決 了上(shàng)述問題。如上(shàng)圖所示，磷酸鐵(tiě)锂的橄榄石結構也是一種非常穩定的正極材料結構，充放電(diàn)過程中锂離子的脫嵌，并不會(huì)造成晶格坍塌。題外話(huà)，锂金屬電(diàn)池确實 是有(yǒu)的，但(dàn)與锂離子電(diàn)池相比，幾乎可(kě)以忽略不計(jì)，技(jì)術(shù)的發展，最終還(hái)是要服務于市場(chǎng)。
當然，在解決了穩定性問題的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴重的“副作(zuò)用”，就是作(zuò)為(wèi)能量載體(tǐ)的锂元素占比大(dà)大(dà)降低(dī)，能量密度降了不止一個(gè)數(shù)量級，有(yǒu)得(de)必有(yǒu)失，自然之道(dào)啊。
負極通(tōng)常選擇石墨或其他碳材料做(zuò)活性物質，也是遵循上(shàng)述的原則，既要求是好的能量載體(tǐ)，又要相對穩定，還(hái)要有(yǒu)相對豐富的儲量，便于大(dà)規模制(zhì)造，找來(lái)找去，碳元素就是一個(gè)相對優解。當然，這并不是唯一解，針對負極材料的研究很(hěn)廣泛，後面有(yǒu)論述。
電(diàn)解質是幹嘛的？通(tōng)俗的講，就是遊泳池裏面的“水(shuǐ)”，讓锂離子能夠自由的遊來(lái)遊去，所以呢，離子電(diàn)導率要高(gāo)(遊泳的阻力小(xiǎo))，電(diàn)子電(diàn)導率要小(xiǎo)(絕緣)， 化學穩定性要好(穩定壓倒一切啊)，熱穩定性要好(都是為(wèi)了安全)，電(diàn)位窗口要寬。基于這些(xiē)原則，經過長期的工程探索，人(rén)們找到了由高(gāo)純度的有(yǒu)機溶劑、電(diàn) 解質锂鹽、和(hé)必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制(zhì)而成的電(diàn)解質。有(yǒu)機溶劑有(yǒu)PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲 酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。電(diàn)解質锂鹽有(yǒu)LiPF6，LiBF4等材料。
隔離膜則是為(wèi)了阻止正負極材料 直接接觸而加進來(lái)的，我們希望把電(diàn)池做(zuò)的盡可(kě)能的小(xiǎo)，存儲的能量盡可(kě)能的多(duō)，于是正負極之間(jiān)的距離越來(lái)越小(xiǎo)，短(duǎn)路成為(wèi)一個(gè)巨大(dà)的風險。為(wèi)了防止正負極材料 短(duǎn)路，造成能量的劇(jù)烈釋放，就需要用一種材料将正負極“隔離”開(kāi)來(lái)，這就是隔離膜的由來(lái)。隔離膜需要具有(yǒu)良好的離子通(tōng)過性，主要是給锂離子開(kāi)放通(tōng)道(dào)，讓其 可(kě)以自由通(tōng)過，同時(shí)又是電(diàn)子的絕緣體(tǐ)，以實現正負極之間(jiān)的絕緣。目前市場(chǎng)上(shàng)的隔膜主要有(yǒu)單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP複合膜 等。
4.锂離子電(diàn)池的完整材料構成
除了上(shàng)面提到的4種主要材料之外，要想把锂離子電(diàn)池從實驗室的一個(gè)“實驗品”變成一個(gè)可(kě)以商業化應用的産品，還(hái)需要其他一些(xiē)不可(kě)或缺的材料。
我們先看電(diàn)池的正極，除了活性物質之外，還(hái)有(yǒu)導電(diàn)劑和(hé)粘結劑，以及用作(zuò)電(diàn)流載體(tǐ)的基體(tǐ)和(hé)集流體(tǐ)(正極通(tōng)常是鋁箔)。粘結劑要把作(zuò)為(wèi)活性物質的锂金屬氧化 物均勻的“固定”在正極基帶上(shàng)面，導電(diàn)劑則要增強活性物質與基體(tǐ)的電(diàn)導率，以達到更大(dà)的充放電(diàn)電(diàn)流，集流體(tǐ)負責充當電(diàn)池內(nèi)外部的電(diàn)荷轉移橋梁。
負極的構造與正極基本相同，需要粘結劑來(lái)固定活性物質石墨，需要銅箔作(zuò)為(wèi)基體(tǐ)和(hé)集流體(tǐ)來(lái)充當電(diàn)流的導體(tǐ)，但(dàn)因為(wèi)石墨本身良好的導電(diàn)性，所以負極一般不添加導電(diàn)劑材料。
除了以上(shàng)材料外，一個(gè)完整的锂離子電(diàn)池還(hái)包括絕緣片、蓋闆、洩壓閥、殼體(tǐ)(鋁，鋼，複合膜等)，以及其他一些(xiē)輔助材料。
5.锂離子電(diàn)池的制(zhì)作(zuò)工藝
锂離子電(diàn)池的制(zhì)作(zuò)工藝比較複雜，此處僅就部分關鍵工序做(zuò)簡單描述。根據極片裝配方式的不同，通(tōng)常有(yǒu)卷繞和(hé)疊片兩種工藝路線。
疊片工藝是将正極、負極切成小(xiǎo)片與隔離膜疊合成小(xiǎo)電(diàn)芯單體(tǐ)，然後将小(xiǎo)電(diàn)芯單體(tǐ)疊放并聯起來(lái)，組成一個(gè)大(dà)電(diàn)芯的制(zhì)造工藝，其大(dà)體(tǐ)工藝流程如下：
卷繞工藝是将正負極片、隔離膜、正負極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設備上(shàng)，設備經過放卷完成電(diàn)芯制(zhì)作(zuò)。
锂離子電(diàn)池的常見外形主要有(yǒu)圓柱形和(hé)方形，根據殼體(tǐ)材料不同，又有(yǒu)金屬外殼和(hé)軟包外殼等。
