改變我們生活的鋰離子電池 | 第一講：什么是鋰離子電池？專家談鋰離子電池的工作原理和特點(diǎn)

鋰離子電池不僅被用作為電腦、智能手機(jī)的充電式電池，也被廣泛用于我們生活中的電器產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、尖端科技等各個(gè)領(lǐng)域。為何會(huì)被眾多產(chǎn)品所采用？它給我們的生活帶來了哪些變化？以及今后的發(fā)展趨勢(shì)，讓我們基于專家的見解來了解一下吧～

在本系列中，我們就鋰離子電池的特點(diǎn)、使用場(chǎng)景、歷史以及今后的可能性等，在東京工業(yè)大學(xué)特命教授菅野了次先生的監(jiān)修下，分五講做一個(gè)全面介紹。

監(jiān)修人：

菅野了次

東京工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院 特命教授（名譽(yù)教授）

菅野了次先生于1980年大阪大學(xué)研究生院理學(xué)研究科無機(jī)及物理化學(xué)專業(yè)課程結(jié)業(yè)。1985年成為理學(xué)博士。任神戶大學(xué)理學(xué)部副教授后，2001年任東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究科教授，2016年任該大學(xué)物質(zhì)理工學(xué)院教授，2018年任該大學(xué)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院教授、全固態(tài)電池研究組組長(zhǎng)，2021年任該科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院特命教授、全固態(tài)電池研究中心主任。

1. 什么是鋰離子電池？

鋰離子電池是裝在我們?nèi)粘Ｋ玫?a target="_blank">智能手機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備里的充電式電池。電池的原型發(fā)明于18世紀(jì)末，其后經(jīng)過二百多年的歲月發(fā)展至今。鋰離子電池是在電池發(fā)展過程中誕生的現(xiàn)在最新型電池之一。

鋰離子電池的特點(diǎn)：

電池分為只能用一次的干電池“一次電池”和能多次充電使用的電池“二次電池”。鋰離子電池是能夠充電的二次電池，與其他類型的電池相比，不僅能小型輕量化，而且能儲(chǔ)存的電能高。

2. 鋰離子電池產(chǎn)生電的工作原理

除了鋰離子電池之外，電池還有其他各種類型，實(shí)際上電池產(chǎn)生電的基本工作原理都相同。

電池里有使用金屬材料的正電極（正極）和負(fù)電極（負(fù)極），借由離子而導(dǎo)電的物質(zhì)（電解質(zhì)）充滿在正負(fù)極之間。金屬電極被電解質(zhì)熔化，分為離子和電子，電子從負(fù)極向正極移動(dòng)產(chǎn)生電流，這時(shí)便產(chǎn)生電。二次電池是在開始使用電池之前通過充電，預(yù)先將電子儲(chǔ)蓄在負(fù)極，使用電池時(shí)儲(chǔ)蓄的電子向正極移動(dòng)從而產(chǎn)生電。

鋰離子電池是預(yù)先在正極使用含鋰金屬化合物，負(fù)極使用能吸儲(chǔ)鋰的碳(石墨)。通過這樣的結(jié)構(gòu)，無須如傳統(tǒng)電池一般由電解質(zhì)熔化電極就能發(fā)電，從而減緩了電池本身的老化，不僅能儲(chǔ)蓄更多的電，充放電的次數(shù)也得以增加。此外，鋰是非常小而輕的物質(zhì)，從而能使電池具有小型輕量化等各種優(yōu)點(diǎn)。

3. 鋰離子電池也有不同的種類嗎？

根據(jù)正極所用的金屬材料的不同，鋰離子電池分為幾個(gè)種類。最初鋰離子電池的正極所用的金屬材料是鈷。不過鈷的產(chǎn)量幾乎與鋰同樣少，也是稀有金屬，制造成本高。因此開始使用廉價(jià)且環(huán)境負(fù)荷小的材料，例如錳、鎳、鐵等金屬。鋰離子電池按其所使用的材料而分類。

下面來看看各種類分別都有哪些特點(diǎn)。

鈷系鋰離子電池

正極使用鈷酸鋰。鈷酸鋰比較容易合成，便于使用，因而鋰離子電池最早量產(chǎn)的是鈷酸鋰離子電池。但由于鈷是稀有金屬，價(jià)格昂貴，幾乎沒有被用于汽車零件。

錳系鋰離子電池

正極使用錳酸鋰。優(yōu)點(diǎn)是電壓能與鈷系鋰離子電池差不多，而且制造成本廉價(jià)。缺點(diǎn)是充放電中錳可能會(huì)熔化于電解質(zhì)，縮短電池的壽命。

磷酸鐵系鋰離子電池

正極使用磷酸鐵鋰。磷酸鐵系鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)在于即使內(nèi)部發(fā)熱結(jié)構(gòu)也難以損壞，安全性高，而且以鐵為原料，制造成本比錳系更低。但是電壓比其他的鋰離子電池低。

三元系鋰離子電池

三元系鋰離子電池是為了減少鈷的用量，使用鈷、鎳、錳三種材料制造的電池。現(xiàn)在三元系鋰離子電池大多鎳的比例較高。雖然電壓比鈷系、錳系略低，但能減少制造成本。不過雖說如此，各個(gè)材料的合成制備較難，穩(wěn)定性低等，作為實(shí)用材料尚存在有待解決的課題。

4. 鉛蓄電池與鋰離子電池的區(qū)別是什么？

除鋰離子電池之外，還有幾種能充電的電池。其中鉛蓄電池是一百多年前就使用的歷史悠久的電池，在鋰離子電池等新型電池開發(fā)問世的現(xiàn)今，依然還繼續(xù)用作汽車的蓄電池。

鉛蓄電池與鋰離子電池的區(qū)別

鉛蓄電池的正負(fù)極材料都使用鉛，因而與鋰離子電池相比，制造成本非常廉價(jià)。但由于鉛比其他金屬重，因此蓄電池自身也就重。此外電壓最高只能到2V，自放電大也是鉛蓄電池的缺點(diǎn)。

現(xiàn)在依然使用鉛蓄電池的原因

雖然鉛蓄電池有著這些缺點(diǎn)，但汽車的蓄電池沒有換成鋰離子電池等高性能二次電池的原因還是在于它的廉價(jià)，以及技術(shù)基本成熟，可靠性高。汽車充分利用鉛蓄電池的特性，確立了再循環(huán)系統(tǒng)。如果換成新型電池，需要修改電路設(shè)計(jì)，基于目前鉛蓄電池仍足以能發(fā)揮作用的狀況，廠家也不想格外多付出成本。

雖說如此，鋰離子電池已被用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車、電油混合動(dòng)力車等的發(fā)動(dòng)機(jī)的二次電池，說不定未來汽車也會(huì)不使用鉛蓄電池了。

5. 鋰離子電池被用于哪些領(lǐng)域？

1990年代上半葉首款商品化的家電用鋰離子電池被用于攝像機(jī)以滿足其小型輕量化的需求。其后接連不斷地被用于當(dāng)時(shí)迅速普及的手機(jī)，市場(chǎng)需求瞬間高漲。

如今鋰離子電池已被廣泛用于我們生活中的各個(gè)場(chǎng)景，諸如智能手機(jī)、筆記本電腦，以及電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等各個(gè)領(lǐng)域。

6. 鋰離子電池的安全性如何？

其實(shí)電池可以說是能源罐頭。能以每單位體積大密度儲(chǔ)能的鋰離子電池比其他種類的電池更需要考慮到安全性。而且從使用具有可燃性的有機(jī)溶劑這一點(diǎn)來說，在操作使用上也需要比使用水溶液的其他電池更加小心謹(jǐn)慎。

最應(yīng)該避免的是內(nèi)部短路問題。內(nèi)部短路指外部施力造成電池變形，正極與負(fù)極直接接觸的狀態(tài)。電流集中于此，導(dǎo)致溫度升高，電池起火之類的嚴(yán)重事故。即便是極小的雜質(zhì)，一旦混入電池內(nèi)部，就可能會(huì)造成內(nèi)部短路，這就需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使電池內(nèi)無多余的電流流動(dòng)，讓電池具備防事故功能。

其他還有使用冷卻裝置等手段，將電池的工作環(huán)境保持在60℃以下，控制電池的溫度也很重要。在正負(fù)極之間設(shè)置隔膜，如果超過一定的溫度，隔膜在正負(fù)極之間起到完全阻隔的作用等等，動(dòng)腦筋用各種方法提高安全性。

如本講所述，與以前的二次電池相比，小型輕量且高性能的鋰離子電池似乎今后仍會(huì)被用于我們生活中的各個(gè)場(chǎng)景。

下一講我們將談?wù)勪囯x子電池是如何實(shí)際使用的。

未完待續(xù)！敬請(qǐng)期待！

文章來源：Murata村田中國(guó)

審核編輯 黃宇