什么是锂电池？详解锂电池的发展历史

 电池已成为生活必需品，小到手表，大到电动汽车，都有它的参与。至今为止，电池已有了200多年的历史，一切归功于意大利解剖学家伽伐尼，1780年的一天，他做青蛙大腿实验时，发现了青蛙腿会抽搐，他称之为“生物电”。

伽伐尼的青蛙实验给了伏打——意大利一位物理学教授启发，发明了“伏打电池”，原料是锌片、铜片以及盐水。然而，这种电池又会存在随着时间的增长，电压下降的现象。为了解决这一问题，1860年，法国的普朗泰发明出了铅做电极的电池，当电池因为使用了一段时间电压下降时，可以通反向电流，使得电池电压回升，这就是“蓄电池”。蓄电池不仅不方便搬运，命也比较短。短命蓄电池的终结者是发明大王爱迪生。他曾在电池的发展史上留下了重重的一笔，为了改善短命蓄电池，爱迪生致力于实验合适的金属材料，4万多次实验，几千种材料。终于功夫不负有心人，1904年，爱迪生用氢氧化钠代替硫酸，镍、铁代替铅，制成了世界上第一个镍铁电池。

如今，电池家族扩张了，使用方便价格低廉的干电池，能够多次充电放电反复使用的蓄电池，还有各类的充电电池：铅蓄电池、太阳能电池和锂电池等等。

其中，电池界最受人青睐的莫过于“锂系电池”，不同于镍电池的低容量、记忆效应、自放电现象以及环境污染问题，锂系电池高能、环保，能量密度大、电压较高、可长时间存放，这些优势让它在最近几十年发展迅猛，甚至成为时下手机行业唯一的源动力。

什么是锂系电池？

锂系电池是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。锂原电池和锂离子电池共同组成锂系电池。锂原电池里面含有纯态的锂金属，是一次性使用、不能充电的电池。当然，这种电池要求限制比较多，现在只有少数的国家在生产。如今，用的更多的是锂离子电池。我们现在使用的手机和笔记本电脑用的都是锂离子电池。锂离子电池负极是用碳素材料做的，正极是用含锂的化合物做的，注意，在化合物中，锂不是以金属锂的形态存在，而是锂离子。其充放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。1970年，埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。锂离子电池(Li-ionBatteries)是锂电池发展而来。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

 

　　1982年伊利诺伊理工大学(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

 

　　1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

 

　　1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

 

　　1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。

 

　　1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。

 

　　纵观电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快的增长。电信、信息市场的发展，特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用，给锂离子电池带来了市场机遇。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安全性的独特优势，将逐步取代液体电解质锂离子电池，而成为锂离子电池的主流。聚合物锂离子电池被誉为“21世纪的电池”，将开辟蓄电池的新时代，发展前景十分乐观。

 

　　2015年3月，日本夏普与京都大学的田中功教授联手成功研发出了使用寿命可达70年之久的锂离子电池。此次试制出的长寿锂离子电池，体积为8立方厘米，充放电次数可达2.5万次。并且夏普方面表示，此长寿锂离子电池实际充放电1万次之后，其性能依旧稳定。

 

　　锂元素是在1817年被瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现，贝齐里乌斯将其命名为锂。到1855的年本生和马奇森采用电解熔化氯化锂的方法才得到金属锂单质，而工业化制锂是在1893年由根莎提出的。现在仍然采用电解LiCl制取锂，这个方法要消耗大量的电能，每炼一吨锂就耗电高达六、七万度。

 

　　锂在他出世后的100多年中，它主要作为抗痛风药服务于医学界。美国航空航天航空局(NASA)最早认识到，锂电池能作为一种高效的电池。这是因为电池电压是和负极金属活泼性密切相关的。作为非常活泼的碱金属，锂电池能提供较高的电压。比如锂电池可以提供3V的电压，而铅蓄电池只有2.1V，而碳锌电池只有1.5V。根据P=UI，相同电流下，锂电池能输出更高的功率。

 

　　作为3号元素，自然界存在的锂由两种稳定的同位素6Li和7Li组成，因此锂的相对原子质量只有6.9。这就意味着在在质量相同时，金属锂比其它活泼金属能提供更多的电子。此外，锂元素还有另外一个优点。锂离子离子半径小，因此锂离子比其他大的离子更容易在电解液中移动，充放电时可以实现正负极间的有效、快速的迁移，从而使整个电化学反应得以进行。

 

　　金属锂尽管有很多优点，但是制造锂电池还有很多需要克服的困难。首先，锂是非常活泼的碱金属元素，能和水以及氧气反应，而且常温下它就能与氮气发生反应。这就导致金属锂的保存、使用或是加工都比其他金属要复杂得多，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学家的攻关，锂电池的技术障碍一个个突破，锂电池渐渐也登上了舞台，锂电池随之进入了大规模的实用阶段。