简述锂离子电池的基本原理
来源：宝鄂实业
2019-07-31 17:07
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要想成为好的能量载体，就要以尽可能小的体积和重量，存储和搬运更多的能量。因此，需要满足下面几个基本条件：
1)原子相对质量要小
2)得失电子能力要强
3)电子转移比例要高
基于这3项基本原则，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左边的元素比右边的元素要好。初步筛选，我们只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性气体和氧化剂，只剩下氢、锂、铍、硼、碳，这5个元素。
氢元素是自然界最好的能量载体，所以氢燃料电池的研究一直方兴未艾，代表了电池领域一个非常有前途的方向。当然，如果核裂变技术在未来几十年能够取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便携式的核燃料电池将会有广阔的发展空间。
接下来就是锂了，选择锂元素来做电池，是基于地球当前的所有元素中，我们能够找到的相对优解(铍的储量太少了，是稀有金属中的稀有金属)。氢燃料电池与锂离子电池的技术路线之争，在电动汽车领域打的如火如荼，大概就是因为这两种元素，是我们目前能够找到的比较好的能量载体。当然，这里面还牵涉到很多的商业利益，甚至政治博弈，这些不是本文要讨论的范畴。
顺便说一下，自然界中已经存在的，并为人类广泛使用的能源，比如石油、天然气、煤炭等，其主要成分也是碳、氢、氧等元素(在元素周期表的第一周期和第二周期)。所以不管是自然的选择，还是人类的“设计”，最终都是殊途同归的。
下面讲讲锂离子电池的工作机理。这里不阐述氧化还原反应，化学基础不好的，或者已经把化学知识还给老师的人，看到这些专业的东西就会头晕，所以我们还是搞点直白的描述。这里借用一张图，这张图比较容易让人理解锂离子电池的原理。
我们按照使用的习惯，根据充放电时的电压差区分正极(+)和负极(-)，这里不讲阳极和阴极，费时费力。这张图上，电池的正极材料是钴酸锂(LiCoO2)，负极材料是石墨(C)。
充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料LiCoO2分子里面的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子(Li+)，在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，这个电池可以存储的能量就越多。
放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子(Li+)从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子(LiCoO2)。从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，这个电池可以释放的能量就越多。
在每一次充放电循环过程中，锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是“锂离子电池”的基本原理。由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。
