我们日常用到的电池类型,你都知道哪些呢?
电解液很重要
电池之所以能够提供能量,是因为发生了电子的转移。在电池接到一个电路里,合上开关,电流就通了。这时,电子就会从负极跑出来,经过电路流到正极。在这个过程中,电子会做功,来支撑你的手机运转,或者驱动特斯拉电动车。
锂电池的电子是由锂提供的。那么,在电池里装满了锂,能量密度不就上去了吗?可惜的是,为了让锂离子电池具备可充电的功能,它的内部构造必须以牺牲能量密度为代价。刘润指出,锂电池的内部构造包括电解液、负极材料、正极材料和隔膜等,每一样都有其专门的工艺需求,发挥独特的功能,不可或缺。这种构造限制了锂电池能量密度的提升。
首先,是电解液,它是电池里不可缺少的运输管道。“电池放电的时候,锂原子失去电子,变成了锂离子,这时它要从电池的一极跑到另一极去,到了充电的时候再跑回来。”刘润说。锂离子在电池两极的来去构成了锂电池循环使用的关键,而电解液保证了它的旅途自由通畅。电解液就像河水,锂离子就像鱼。如果河床干了,鱼到不了对岸,锂电池就无法正常工作。
电解液的奇妙之处还在于,它只会运载锂离子,而不会运载电子,这就确保了电池只有在电路连通的时候才会放电。同时,依赖电解质,锂离子的运动有序而明确,使电子总是沿着一个方向移动,这样才形成了电流。
正负极求稳定
电解液虽然不提供任何能量,并且占的分量还不小,但是锂电池里绝少不了它。那么,以石墨为主的负极材料为什么也不能少呢?石墨就是做铅笔芯的材料,也不负责提供电子。刘润说,这是为了保证充电的时候不出问题。
充电时,锂离子从正极跳入电解液,游回负极,在那里得到电子变成锂原子聚集起来,准备下一次放电。但是,锂本身是电子的良好导体,后来的锂离子可能还没到达负极,就从已经变身为锂原子的前辈那里得到了电子。这样,锂原子就可能像杂草一样在电池里面疯长,并出现晶体。这个过程就叫做“析晶”。野蛮生长的锂晶体最终会刺穿隔膜,使电池短路报废。
为了解决这个麻烦,科学家用石墨制成负极材料,利用其表面的空隙,就像一个个小房间,让锂原子安稳地待在里面,彼此不发生作用。这样一来,锂原子安分了,但是电池的能量密度就又下降了。
类似的道理也适用于电池的正极,为了维持电池的稳定有序,正极材料也经过特殊设计,充电的时候不是所有的锂离子都会游回负极,大约有近一半的锂离子会留下来,这也削弱了电池的能量密度。