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鋰離子化學式具體怎么寫

鉅大LARGE  |  點擊量:6160次  |  2018年06月01日  

摘要
鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落,其應用領域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源(充電寶)、應急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機,以及其他各類電動工具。

    鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落,其應用領域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源(充電寶)、應急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機,以及其他各類電動工具。作為電能的載體和眾多設備的動力來源,可以說,離開了鋰離子電池,當今的物質世界就玩不轉了(除非我們想倒退回幾十年前)。那么,鋰離子電池到底是什么鬼?


  本文不科普電池的基本原理和發展歷史,有興趣的請百度查詢,這里頭有很多故事。物理學和化學領域的基礎理論,被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了,電池跟這兩個領域直接相關,與電池有關的理論,在二戰之前就已經研究的差不多了,二戰以后并無大的創新。作為電池技術的一種,鋰離子電池的相關理論研究,近年來也沒有什么突破性進展,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(存儲能量更多,用的更久)。


  很多人在使用鋰離子電池,很多人在研究鋰離子電池的產品應用(如上面提到的產品),可是大多數人對鋰離子電池知之甚少,或者總是霧里看花,不得要領。寫本文的目的,不是為了給做鋰離子電池研發的人看的,而是給那些在產品里面用到鋰離子電池的工程技術人員或者鋰離子電池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂,盡量不使用專業化的術語和公式,希望在輕松閱讀之余,能夠提升大家對鋰離子電池的認識,起到答疑解惑的作用。


  作者本人不是鋰離子電池領域的專家,沒有從事過鋰離子電池單體的技術或產品研發,但曾長期從事鋰離子電池的應用技術研究,因此希望站在“用戶”的角度,來闡述我對鋰離子電池的認識。普通用戶,通常把鋰離子電池直接叫作鋰電池,雖然兩者并不完全等同,但鋰離子電池確實是當前鋰電池的絕對主體。


  文中大部分的內容,都不是本人的原創,而是已經存在的知識,站在巨人的肩膀上,我們要做的僅僅是站直身體,抬起頭,世界就在我們眼前。


  二、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,為什么選擇鋰元素作為能量載體?


  好吧,雖然我們不想去回顧化學的知識,可是這個問題必須得去元素周期表找答案,好在,大家總還記得元素周期表吧?!實在不記得,我們就花一分鐘來看看下面的表吧。


  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,需要滿足下面幾個基本條件:


  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。


  氫元素是自然界最好的能量載體,所以氫燃料電池的研究一直方興未艾,代表了電池領域一個非常有前途的方向。當然,如果核裂變技術在未來幾十年能夠取得重大突破,可以做到小型化甚至微型化,那么便攜式的核燃料電池將會有廣闊的發展空間。


  接下來就是鋰了,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(鈹的儲量太少了,是稀有金屬中的稀有金屬)。氫燃料電池與鋰離子電池的技術路線之爭,在電動汽車領域打的如火如荼,大概就是因為這兩種元素,是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當然,這里面還牽涉到很多的商業利益,甚至政治博弈,這些不是本文要討論的范疇。


  順便說一下,自然界中已經存在的,并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)。所以不管是自然的選擇,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


  下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應,化學基礎不好的,或者已經把化學知識還給老師的人,看到這些專業的東西就會頭暈,所以我們還是搞點直白的描述。這里借用一張圖,這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。


  我們按照使用的習慣,根據充放電時的電壓差區分正極(+)和負極(-),這里不講陽極和陰極,費時費力。這張圖上,電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2),負極材料是石墨(C)。


  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,于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩定”的嵌入到負極的石墨層狀結構當中。從正極跑出來轉移到負極的鋰離子越多,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鋰離子越多,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,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。


  3.鋰離子電池的基本構成


  要實現上述的功能,鋰離子電池內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、電解質。下面做簡單論述,這些材料都是干嘛的。


  正負極不難理解,要實現電荷移動,就需要存在電位差的正負極材料,那么什么是活性物質?我們知道,電池實際上是將電能和化學能相互轉換,以實現能量的存儲和釋放。要實現這個過程,就需要正負極的材料很“容易”參與化學反應,要活潑,要容易氧化和還原,從而實現能量轉換,所以我們需要“活性物質”來做電池的正負極。


  上面已經提到,鋰元素是我們做電池的優選材料,那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質呢?這樣不是可以達到最大的能量密度嗎?


  我們再看上面這張圖,氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構成了非常穩定的正極材料結構(圖中的比例和排列僅作參考),負極石墨的碳原子排列也具有非常穩定的層狀結構。正負極材料不但要活潑,還要具有非常穩定的結構,才能實現有序的,可控的化學反應。不穩定的結果是什么?想想汽油燃燒和炸彈爆炸,能量劇烈釋放,這個化學反應的過程實際上是無法人為去精確控制的,于是化學能變成了熱能,一次性把能量釋放完畢,而且不可逆。


  金屬形態存在的鋰元素太“活潑”了,調皮的孩子多半都不聽話,喜歡搞破壞。早期針對鋰電池的研究,確實是集中以金屬鋰或其合金作為負極這個方向,但是因為安全問題突出,不得不尋找其他更好的路徑。近年來,隨著人們對能量密度的追求,這個研究方向又有“滿血復活”的趨勢,這個我們后面會講到。


  為了實現能量存儲和釋放過程中的化學穩定性,即電池充放電循環的安全性和長壽命,我們需要一種電極材料,在需要活潑的時候活潑,在需要穩定的時候穩定。經過長期的研究和探索,人們找到了幾種鋰的金屬氧化物,如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料,作為電池正極或負極的活性物質,解決了上述問題。如上圖所示,磷酸鐵鋰的橄欖石結構也是一種非常穩定的正極材料結構,充放電過程中鋰離子的脫嵌,并不會造成晶格坍塌。題外話,鋰金屬電池確實是有的,但與鋰離子電池相比,幾乎可以忽略不計,技術的發展,最終還是要服務于市場。


  當然,在解決了穩定性問題的同時,也帶來了嚴重的“副作用”,就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低,能量密度降了不止一個數量級,有得必有失,自然之道啊。


  負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質,也是遵循上述的原則,既要求是好的能量載體,又要相對穩定,還要有相對豐富的儲量,便于大規模制造,找來找去,碳元素就是一個相對優解。當然,這并不是唯一解,針對負極材料的研究很廣泛,后面有論述。


  電解質是干嘛的?通俗的講,就是游泳池里面的“水”,讓鋰離子能夠自由的游來游去,所以呢,離子電導率要高(游泳的阻力?。?,電子電導率要?。ń^緣),化學穩定性要好(穩定壓倒一切?。?,熱穩定性要好(都是為了安全),電位窗口要寬?;谶@些原則,經過長期的工程探索,人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、和必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質。有機溶劑有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。電解質鋰鹽有LiPF6,LiBF4等材料。


  隔離膜則是為了阻止正負極材料直接接觸而加進來的,我們希望把電池做的盡可能的小,存儲的能量盡可能的多,于是正負極之間的距離越來越小,短路成為一個巨大的風險。為了防止正負極材料短路,造成能量的劇烈釋放,就需要用一種材料將正負極“隔離”開來,這就是隔離膜的由來。隔離膜需要具有良好的離子通過性,主要是給鋰離子開放通道,讓其可以自由通過,同時又是電子的絕緣體,以實現正負極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP,單層PE,雙層PP/PE,三層PP/PE/PP復合膜等。


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