电池是如何进行充放电的？
来源：宝鄂实业
2019-08-06 08:51
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十九世纪以来，很重要的一件事是铅酸电池的发展，铅酸电池是1859年发明的，电动自行车等很多场景用的就是铅酸电池。1990年商业化的锂离子电池也是一个重要的里程碑。现在已经有一个庞大的电池家族，除了刚才展示的化学电池，还有太阳能电池、温差电池、核电池、燃料电池、生物电池，其中像太阳能电池、温差电池属于能量转换装置，刚才讲的化学电池如果是可充电电池，都是储存式电池。
电池是怎么工作的？我们通过锂离子电池了解一下。普遍的摇椅式的锂离子电池，它的工作原理可以通过两个图来做一些粗浅了解。
左图右上角显示电池的状态是空的，说明它是全放的状态，也就是放电完了。这个视频要演示在充电的过程中间，电池内部发生了什么。大家注意几个点，红的颗粒代表锂离子，蓝的小颗粒代表这里面产生的电子。可以看到电子在电池的外面，从右边走到左边，锂离子从电池的内部从右边走到左边。到左边的过程，实际上就是充电的过程。
对应的，右图显示的是放电的过程，锂离子在电池内部运动，从左边走到右边，电子在外部的电路运动，也是从左边走到右边。这就是它充放电过程的机制。
这样一个来回移动的过程，为什么可以储存能量，这个能量怎么来的？
电池储存能量的机制
来看一下能量空间，用一个水池做类比。左边是负极，右边是正极，绿色的像水一样的就是锂离子或者电子，初始状态是充满能量的。
刚开始是放电的过程，这些能量比较高的电子或锂离子把它的能量放掉，两个电极之间逐渐拉平，能量逐渐拉平，这是一个自发的过程。
充电的时候，则通过外界的电把能量储存进去，锂离子和电子的势能增加，就把能量充进去。这样一个充放电的过程，电子和离子在不同的位置，但是它的能量有升高和降低，这就是整个锂离子电池储存能量的工作原理。
七道工序铸就锂离子电池
知道这个原理之后，再来看看这么多锂离子电池，它是怎么被生产出来的？
锂离子电池生产的第一道工序是混浆，把活性电极材料、导电添加剂、黏合剂都混在一起，这里有一个搅拌机，把它搅拌成均匀分散的浆料。第二步是涂布，把黑乎乎的浆料涂到极片的集流体上。第三步是裁剪，把涂好的极片裁剪成所需要的形状。
这个是极耳，极片的耳朵，是把电引出来的地方，极耳是很多时候电池出问题的原因，大家知道前些年三星手机电池爆炸，经过详细调查以后，发现问题就出在极耳有短路的可能性，最终导致电池爆炸。
下一步就是这些电池要叠片，刚才讲到电压不够时我就把它叠的多一点，实际上在电池里面也是一样的，在内部也需要把更多的电能储存进去，所以要叠很多的片。第五步把叠好的片子放到一个外包的壳里面，装成一个袋子。第六步注液，就是把电解液装到这个袋子里面去，这个电解液是离子传导的媒介，就象刚才水果电池里的媒介柠檬一样。最后把电池封装起来，拿去做测试或者使用。
可以看到，在一个工厂里面，电池的生产步骤牵涉到很多，从材料、设备、工艺到自动化控制。
电池续航、安全等困境：前沿研究能解决吗？
当前电池研究在做什么？大家已经看到，可以通过自动化工厂生产很多电池，那么现在的电池还有些什么问题，为什么还要做研究？
第一个研究方向是提高电池能量密度。大家如果自己开电动汽车，经常碰到里程焦虑，眼看电池显示快没电了，但是还没有到下一个充电站，就会有里程焦虑。
看一个典型的例子，一个五座的小汽车，车重大约900公斤，如果续航里程需要达到500公里，估算需要400多公斤的电池，也就是说电池会占车重的二分之一到三分之一，对整个交通工具来说，它的能量效率是不高的。
所以希望电池的能量密度更高，单位体积的材料能够容纳的锂离子更多，正负极之间的电压越高，电池的能量密度就越高。车身的重量越小，电动车的续航越长，所以这是一个非常重要的方向。
第二个研究方向是提高电池的安全性。这张照片是特斯拉的汽车在行驶的过程中，碰到了地上一个尖锐的突起，造成了严重的安全事故。
大家知道特斯拉的电池是做在底盘上的，虽然做了安全性能防护，但是在这个事故当中，它的电池被尖锐的突起扎穿，相当于造成了电池短路，最终使电池起火，所以电池的安全性很重要。
这是实验室做的一个安全性测试，用两个相同能量密度（205Wh/kg）的电池进行针刺实验，一个是没有经过处理的电池，一个是经过材料改进以后的电池，没有处理的电池发生了严重的燃爆，这个电池是10Ah，一辆普通的乘用车大概有400-500个这样的电池。
大家可以想像，如果发生短路或者撞击到尖锐物体等极端情况，安全性不好的电池实际上是很危险的，这也是为什么要不断提升它的能量密度，但同时也提升它的安全性的原因，这是电池的一个重要研究方向。
电池技术，可以使人类生活更加绿色
未来还需要研发什么样的电池？需要把电池工业做的更加绿色、更加环保、更加低成本。刚才演示的这些电池，都需要用到锂元素、钴元素、镍元素，在元素周期表上可以看到金属锂分布不高，钴和镍都属于比较稀有的元素，它们的储量很有限。
像金属钴，在整个地球上主要出产于刚果金，这是一个政治上不太稳定的国家，所以金属的来源有问题。
因此，电池领域都在开发含有其他元素，像钠、镁、钙、铝这些储藏分布更丰富的材料所做的电池，甚至利用有机材料、绿色生物质材料来做电池。
电池研发其实有很多高大上的研究工具。中国的散裂中子源在广东东莞，中国是继美国、日本、英国以后第四个有散裂中子源的国家，有意思的是散裂中子源上的第一个实验数据和第一篇发表的论文，都是跟锂电池有关的。
