锂或者锂离子电池里面不光是金属锂，还有别的水货？
来源：宝鄂实业
2019-04-20 13:58
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电池的大问题之二，负极表面材料
大家好，我又回来了。
如果你能坚持每行读下来一直读到这里，恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。
现在回顾上一部分的内容。啥么？？全忘了？？不就一句话么？由于不做功但是必不可少的电解质以及其他辅助材料的存在，电池的能量密度被稀释了。
这些额外重量到底有多少？？
电解质的重量一般占电池全重15%（链接找不到了）隔膜没查到。估计把外壳，外接电极之类的辅助材料都算上，总重应该不超过电池总重的50%。
不对啊，电池虽然掺‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的锂离子电池们的能量密度也就单质锂的1%左右。这到底又发生了什么？（这句式为何这么熟悉呢？）
喝点鲜橙多，让我们看看最常见的钴酸锂电池（Tesla Roadster）的电化学反应式。
醒醒啊！！化学不好没关系，不要晕倒啊！！都读到这里了，你也知道达主会归纳的呀！！
发生电子转移的其实只是一部分锂与钴,其它的元素均不参与电子转移。
然后我们做个小计算：单质锂的原子量为6.9，能贡献1个电子参与电子转移。氧化剂来自空气，不需要考虑。
钴酸锂电池的电池反应的反应物总分子量为98+72=170，但只能贡献半个电子参与电子转移。因为只有部分锂原子会发生反应。
假如我们认为这两个电子的做功是一致的，那么就可以估计一下这两种能量载体的能量密度之比了。
电池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /(1/6.9) =2.03% 电池完败。
考虑到电池有一半重量是辅助材料，我刚才没算进去。于是还得打个折。就剩下1%了。
所以能量密度就成了这样：锂 43.1MJ/Kg 锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg
呵呵呵呵呵呵呵……还跟得上么？？四则运算多简单呀。现在知道发生了什么了吧？？
现在你们是否明白 我为啥说：电池背后的化学限制了电池的能量密度。
接下来我们的问题是：为什么电池的化学反应要那么复杂，直接降低了电池的能量密度。
这个问题展开说会比较复杂，估计大部分人没耐心看完。所以先给个简单答案：
为了有序。
好了，没耐心的人，你们可以走了。下面真的很长，能读完的都不是一般人。
开始长篇之前再放张图：
剩下的同学们，是不是觉得这图很熟悉？其实还是锂电池的示意图，只是这回因阴极阳极的表面结构都显示出来了。大家有没有觉得它们都很整齐规矩啊？？
整齐规矩换个说法，有序。
为什么正极负极的表面结构都需要有序？因为要保证在充电/放电时，氧化还原反应只在正极和负极的表面发生，这样才能有电流。
我们先看石墨（C6）所在的负极。
负极的任务很简单，放电时保证锂原子（不是离子）都在负极表面失去电子，充电时再把它们抓回来就好了。由于充电时阳极电压低，带正电的锂离子会自发向负极移动，得到电子回归为锂原子。
似乎没有石墨什么事情啊？？
如果是一次性电池，确实不需要石墨。但如果是可充放电池，阳极表面材料不是石墨也会是其它物质。
别卖关子了，快说到底咋回事？？
急啥。这得仔细想想。充电时，锂离子会在负极表面得到电子成为锂原子。然后呢？？
我们都知道 所有金属都是良好电子导体，锂是金属，所以锂是良好电子导体。于是先到负极的锂原子成为了负极的一部分，于是后到负极的锂离子加入了前锂的行列。。。。
于是完全由锂原子构成的晶体出现了。这个过程，又称析晶。结果是锂晶体会刺穿隔膜到达正极，于是电池短路报废了。
对于析晶这一现象，我们可以这么理解。
在充电过程中，我们对于锂离子的控制实际上很弱。我们只能保证锂离子会移动到负极表面，但我们无法保证锂离子会均匀地分布在负极表面。因此在没有外来约束条件下，充电时锂晶体会在负极表面无序生长，形成枝晶 （dendritic crystal）。
所以一定要有个约束条件。要挖个坑让锂离子往里面跳。
这个坑的具体表现即为负极表面的石墨材料。如上图所示，石墨层之间的空隙够大，足以容纳单个锂原子，但也只能容纳单个锂原子；然后石墨层与锂原子之间的物理吸附作用可以稳住锂原子，于是锂原子在没有外来电压时候也能安心待在负极表面。
