此刻你一定正在使用Ta,但你可能還不夠了解Ta……

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人類社會的發展離不開能源,幾次工業革命的發展都依賴於儲能技術的發展。今天,鋰離子電池為全世界提供著電力,從智慧型手機到電動汽車,鋰離子電池已經無處不在,它為日益機動的世界掃平了障礙。

與其他商業化的可充放電池相比,鋰離子電池由於其具有能量密度高、循環壽命長、工作溫度範圍寬和安全可靠等優點,成為了各國科學家努力研究的重要方向。[1-2]

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不同的電池技術在體積和重量能量密度方面的對比[2]

鋰離子電池是一種二次電池(可充電電池),主要由正極、負極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。在電池內部,帶電的原子,也被稱為離子,沿著兩個電極之間的路徑運動,並產生電流。

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正在充電的鋰離子電池

鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充電過程中,鋰離子從正極材料中脫出,經過電解液傳輸至負極,電子由負極經外電路轉移至正極;而在放電過程中,鋰離子和電子的運動方向則與充電過程相反。

在當前最常見的一種可反復充放電的鋰離子電池中,其正極是鈷酸鋰材料,負極是碳材料。下面附上一個關於介紹鋰離子電池原理的視頻,可以讓大家更好的了解鋰離子電池。

鋰離子電池:原理揭秘

1912年鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士(Gilbert N. Lewis)提出並研究,但由於鋰金屬的化學性質非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存和使用對環境要求非常高,使得鋰電池長期沒有得到應用。

20世紀70年代,美國爆發石油危機,政府意識到對石油進口的過度依耐性,開始大力發展太陽能和風能。但由於太陽能和風能的間歇性特點,最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。此時,賓漢姆頓大學化學教授斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在紐約起草了鋰電池的初始設計方案,採用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成了首個新型鋰電池。

鋰離子電池是由鋰電池發展而來,隨著科學技術的發展,現在鋰離子電池已經成為了主流。

鋰離子電池的基本概念,始於1972 年米歇爾·阿曼德(M. Armand)等提出的「搖椅式」電池(rocking chair battery)。[3]

在鋰離子電池的研究中,正負極材料的研發,是鋰離子電池發展的關鍵所在,有五位傑出的科學家在此方面做出了重要的開創性貢獻,特別是美國奧斯汀得克薩斯大學機械工程及電子工程系教授約翰·班尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough)為現在商業化正極材料的發展做出了卓越的貢獻。[4]

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約翰·班尼斯特·古迪納夫

他在57歲時建造了鋰離子電池的神經系統,鈷酸鋰(LiCoO2)正極材料是他的智慧結晶。他的這一材料,幾乎存在於當前每一款流通的便攜式電子設備中。

另一個重要的正極材料磷酸鐵鋰(LiFePO4)也是他的重要貢獻之一。1997年,以他為主的研究群報導了磷酸鐵鋰可逆地遷入脫出鋰的特性。磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料,不含任何對人體有害的重金屬元素。

作為鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料的發明人,古迪納夫在鋰離子電池領域聲名卓著,是名副其實的「鋰離子電池之父」。今年,已經96歲高齡的古迪納夫先生在Nature Electronics上刊文,回顧了可充電鋰離子電池的發明歷史,並對未來發展指明了道路。

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商業鋰離子電池正負極材料的示意圖、主要發明人、發明時間[4]

正極材料的研究成果,最終指引日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei)以及名城大學的旭化成(Akira Yoshino)教授制備出了第一個可充電鋰離子電池:以鈷酸鋰作鋰源正極材料、石油焦作負極材料、六氟磷酸鋰(LiPF6)溶於丙烯碳酸酯(PC)和乙烯碳酸酯(EC)作電解液的可充放二次鋰離子電池。

這個電池成功應用到SONY公司最早期移動電話中,並在1991年開始商業化生產,標誌著鋰離子電池時代的到來。[5]

在這隨後的每天里,世界各地的科學家們都在測試和開發更為高效和安全的鋰離子電池。

如今,鋰離子電池已經遍布在我們生活的方方面面——手機、電腦、電動車等,都離不開鋰離子電池。那麼在使用鋰離子電池,特別是手機電池時,我們應該注意哪些問題呢?(這個問題問得好)

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1. 不要讓你們的手機電量耗盡甚至自動關機,因為這樣會損壞你的電池,而減少它的使用壽命。

當然,也不要通宵達旦一致對自己的手機充電,雖然現在的電池已經擁有了過度充放電保護電路,但是在有些電池中,還是有可能出現過度充電的情況,嚴重影響著電池的使用壽命。

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2. 要避免在較低溫度和較高溫度的環境下使用手機等電子產品,因為電池內部是依靠化學反應進行充放電過程的,低溫會使相應的化學反應速率變慢,從而影響電量的變化。當然啦,高溫(高於40℃)情況下也是不建議使用的,也要避免接觸熱源和太陽的直接照射,比較高溫下電池內部的化學環境會發生一些不可逆的改變,嚴重影響著電池的容量。

科學家也在積極探索解決電池在高溫和低溫環境下使用的問題,相信在不久的將來,這一問題會得到很好的解決。

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3. 要避免對你的手機等電子產品使用「暴力」,這樣很有可能造成電池的短路,從而產生泄露、發熱等危險。

鋰離子電池的發展還在不斷向前,甚至延伸出鈉離子電池等新的離子電池系列,開發高容量、高安全性和低成本的離子電池將一致是世界各國科學家奮鬥的目標。

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出品 | 科普中國

製作 | 中科院物理所科學傳播協會

監制 | 中國科學院計算機網路信息中心

參考文獻

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, 鋰離子電池基礎科學問題(XV)——總結和展望. 儲能科學與技術 2015, 4 (3), 306-318.

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

編輯:可樂不加冰

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