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2022-08-11 09:41:36
太藍鋰匯|電池的玄妙與魔力，鋰電池的原理概述(上）
2022-08-11 09:41:36 來源: 榕城網
電化學產業經歷了長足平妥的發展過程，大量的科研院所、企業機構潛心研究，在前進路途中不斷涉歷和試錯，同時也貢獻了卓著的研究成果。時序更替，在此前長達30年的時間里，鋰電池的基礎體系基本保持相對平穩的態勢。探索無限止、前進疾兼程，現今的電池技術仍然在漸進發展，未來仍為可期。
「太藍鋰匯」是太藍新能源開設的電池科普內容集匯欄目，通過知識科普觸及鋰電池技術動態和相關市場領域。深耕于先進固態鋰電產業研發，太藍力量正當時，并且將不斷發榮滋長。
電是現代文明的血液，電能的利用是人類進入現代化社會的標志。電池作為一種能量轉化與儲存的裝置，通過反應將化學能轉化為電能。電流無形，帶來的現實力量卻在轉化成有形的科技力量，深藏著推動社會發展與技術革新的玄妙與魔力。
基于我們之前的《關于鋰電池的基礎解讀》，本文當中所指的鋰離子電池特指可反復充電的二次鋰離子電池，而不是一次性電池。
鋰離子電池在我們的日常生活中隨處可見，其應用領域包括消費類（消費電子，電動工具等）、動力類（新能源汽車等）、儲能類（儲能基站、工業儲能電站等）。作為電能的載體和眾多設備的動力來源，可以說，如果沒有鋰離子電池，也就無法實現諸多科技成果的實際轉化。
作為電池技術的一種，鋰離子電池的相關理論研究，近年以來的研究成果大多數研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產業化的程度，研究出性能更優異的鋰離子電池（能量密度更高、循環壽命更長）。
鋰離子電池的基本原理
1.如何選擇能量的載體
首先大家會問，為什么一定要選擇鋰元素作為能量載體？
元素周期表會給予答案。
為什么選擇鋰，鋰的電極電位是首屈一指的。電化學反應里面，翻遍元素周期表100多種元素，它一定是能量密度最高的，所以制作電池，會首選鋰，因為它最輕而且電壓最低。所以為什么選鋰，也就是這個核心點。
要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲和搬運更多的能量。因此，需要滿足以下幾個基本條件：
1）原子相對質量要小
2）得失電子能力要強
3）電子轉移比例要高
基于這3項基本原則，元素周期表上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，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個元素。氫元素是非常好的一種能量載體，關于氫燃料電池的研究一直方興未艾。
接下來的重頭戲就是鋰，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當前的所有元素中，我們能夠找到的相對優解（鈹的儲量比較少，屬于稀有金屬）。
目前自然界中已經存在的，并且可以為人類廣泛使用的能源，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第二周期）。所以無論是自然的選擇，還是人類的“設計”，最終都是殊途同歸的。
2.鋰離子電池的工作原理
按照常規的使用習慣，根據充放電時的電壓差區分正極（+）和負極（-）；
舉例來講，如果電池的正極材料是鈷酸鋰（LiCoO2），負極材料是石墨（C）。在充電的時候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子（Li+），在電場力的作用下，從正極經過電解質移動到負極，與負極的碳原子發生化學反應，生成LiC6，于是從正極脫出來的Li+就很“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構中。從正極跑出來轉移到負極的Li+越多，這個電池可以存儲的能量就越多。
放電的時候剛好相反，內部電場轉向，鋰離子（Li+）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2）。從負極跑出來轉移到正極的Li+越多，這個電池可以釋放的能量就越多。
在每一次充放電循環過程中，鋰離子（Li+）充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，所以鋰離子電池又被稱作“搖椅式電池”。Li+與正、負極材料發生化學反應，將化學能和電能相互轉換，實現了電荷的轉移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。
免責聲明：市場有風險，選擇需謹慎！此文僅供參考，不作買賣依據。
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