不管您是生活在城市還是農(nóng)村，您是否注意到，有一樣?xùn)|西如今無(wú)所不在，徹底改變了人們的工作和生活？這就是鋰電池。沒(méi)有它就沒(méi)有筆記本電腦、智能手機(jī)和平板；沒(méi)有它就沒(méi)有蘋(píng)果的重生、沒(méi)有小米；沒(méi)有它就沒(méi)有微信的興起、沒(méi)有張小龍、沒(méi)有知社學(xué)術(shù)圈，當(dāng)然也就沒(méi)有正在閱讀知社學(xué)術(shù)圈的您。

一、最輕的金屬

鋰元素是在1817年被瑞典化學(xué)家貝齊里烏斯的學(xué)生阿爾費(fèi)特遜發(fā)現(xiàn)，貝齊里烏斯將其命名為鋰。到1855的年本生和馬奇森采用電解熔化氯化鋰的方法才得到金屬鋰單質(zhì)，工業(yè)化制鋰是在1893年由根莎提出的。鋰從被認(rèn)定是一種元素到工業(yè)化制取前后歷時(shí)76年。現(xiàn)在電解LiCl制取鋰，仍要消耗大量的電能，每煉一噸鋰就耗電高達(dá)六、七萬(wàn)度。

鋰在他出世后的100多年中，它主要作為抗痛風(fēng)藥服務(wù)于醫(yī)學(xué)界。美國(guó)特種航天特種局(NASA)是最早從事鋰原電池研究的，這是因?yàn)樗麄兎治霰砻麂囯姵啬軌蛞宰钚〉捏w積提供最高的電壓。根據(jù)P=UI，鋰具有很高的能量密度，因此鋰電池是一種高效的電池。

電池電壓是和負(fù)極金屬活潑性密切相關(guān)的，作為非常活潑的堿金屬，鋰電池能提供較高的電壓。比如鋰電池可以提供3V的電壓，②鉛蓄電池只有2.1V，而碳鋅電池只有1.5V。鋰所具有的另一個(gè)特點(diǎn)就是“輕“。鋰的密度是0.53g/cm3，它是所有金屬中最輕的一個(gè)，輕到在煤油里也能浮起來(lái)。作為3號(hào)元素，自然界存在的鋰由兩種穩(wěn)定的同位素6Li和7Li組成，因此鋰的相對(duì)原子質(zhì)量只有6.9。這就意味著在在質(zhì)量相同時(shí)，金屬鋰比其它活潑金屬能提供更多的電子。此外，鋰元素還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。鋰離子離子半徑小，因此鋰離子比其他大的離子更容易在電解液中移動(dòng)。

金屬鋰盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但是制造鋰電池還有很多需要克服的困難。首先，鋰是非常活潑的堿金屬元素，能和水以及氧氣反應(yīng)，而且常溫下它就能與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)。對(duì)于這樣一個(gè)頑皮的家伙,要保存它是十分困難的,它不論是在水里,還是在煤油里,都會(huì)浮上來(lái)燃燒.化學(xué)家們最后只好把它強(qiáng)行捺入凡士林油或液體石蠟中。這就導(dǎo)致金屬鋰的保存、使用或是加工都比其他金屬要復(fù)雜得多，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰電池的技術(shù)障礙一個(gè)個(gè)突破，鋰電池漸漸也登上了舞臺(tái)，鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。

二、金屬鋰電池

1958年，哈里斯(Harris)考慮到鋰作為堿金屬會(huì)與水以及空氣發(fā)生反應(yīng)，提出了采用有機(jī)電解質(zhì)作為金屬鋰電池的電解質(zhì)。根據(jù)電池的相關(guān)工作要求，有機(jī)電解液溶劑需要具備三個(gè)性質(zhì)，①溶劑為極性溶劑，鋰鹽在極性溶劑的溶解度較大，從而電解液的電導(dǎo)率較大；②溶劑必須是非質(zhì)子的極性溶劑，因?yàn)楹|(zhì)子的溶劑容易和鋰發(fā)生反應(yīng)；③溶劑要有較低的熔點(diǎn)和較高的沸點(diǎn)，從而使得電解液有盡可能寬的溫度范圍。這一構(gòu)想的提出立即得到科學(xué)界的廣泛認(rèn)可，并引發(fā)了不小的研發(fā)熱潮。

在金屬鋰一次電池的開(kāi)發(fā)中，初期選擇傳統(tǒng)正極材料，如Ag、Cu、Ni的化合物的電化學(xué)性能一直達(dá)不到要求，人們不得不尋找新的正極材料。1970年，日本Sanyo公司就是利用二氧化錳作為正極材料在造出了人類第一塊商品鋰電池。1973年松下開(kāi)始量產(chǎn)正極活性物質(zhì)為氟化炭材料作正極的鋰原電池。1976年，以碘為正極的鋰碘原電池問(wèn)世。接著一些用于特定領(lǐng)域的電池如鋰銀釩氧化物(Li/Ag2V4O11)電池也相繼出現(xiàn)，這種電池主要用于植入式心臟設(shè)備。上世紀(jì)80年代以后，鋰的開(kāi)采成本大幅度降低，鋰電池開(kāi)始商業(yè)化。

早期金屬鋰電池屬于一次電池，這種電池只能一次性使用、不能充電。鋰電池的成功極大地激發(fā)了人們繼續(xù)研發(fā)可充電電池的熱情，開(kāi)發(fā)鋰二次電池的序幕就此拉開(kāi)。1972年，美國(guó)埃克森(Exxon)公司采用二硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)金屬鋰二次電池。這款可充電鋰電池就擁有可深度充放電1000次且每次循環(huán)的損失不超過(guò)0.05%的優(yōu)良性能。

鋰二次電池研究曾經(jīng)非常深入，但至今以金屬鋰為負(fù)極的二次電池都沒(méi)有投入商業(yè)生產(chǎn)，這是因?yàn)殇嚩坞姵匾恢睕](méi)有解決充電的安全性問(wèn)題。當(dāng)鋰電池充電時(shí)，鋰離子在負(fù)極獲得電子以金屬的形式析出，但是鋰在電極上的沉積速度不一樣，因此金屬鋰不會(huì)均勻的覆蓋在電極表面，而是會(huì)在沉積的過(guò)程中形成樹(shù)枝狀的晶體。這些樹(shù)枝狀的晶體經(jīng)過(guò)充放電循環(huán)，等樹(shù)枝長(zhǎng)的足夠大就能從正極連到了負(fù)極，造成電池內(nèi)部短路，這種情況可能造成電池大量放熱，可能引起電池起火或者爆炸。1989年以后大多數(shù)企業(yè)停止了對(duì)鋰二次電池的開(kāi)發(fā)。

三、液體鋰離子電池

為了解決金屬鋰析出時(shí)產(chǎn)生的樹(shù)枝狀結(jié)晶，1980年，Armand率先提出了RCB概念。電池兩極不再采用金屬鋰，而是采用鋰的嵌合物。在嵌合物中，金屬鋰不是以晶體形態(tài)存在，而是以離子和電子的形式存在于嵌合物之間的空隙中。在充電時(shí)，電流將正極嵌合物中的鋰離子趕了出來(lái)，這些鋰離子經(jīng)過(guò)正極與負(fù)極之間的電解液“游”到負(fù)極嵌合物中；而放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極嵌合物中經(jīng)過(guò)電解液“游”回正極嵌合物中。因此充放電的過(guò)程中就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程，鋰離子能在電池兩極搖擺，因此又被稱為“搖椅式電池”(RockingChairBattery，縮寫(xiě)為RCB)。

第一個(gè)負(fù)極嵌入物質(zhì)就是我們?cè)偈煜げ贿^(guò)石墨。大家都知道，石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，層間距是0.355nm，而鋰離子只有0.07nm，所以很容易插入石墨中，形成組成為C6Li的石墨層間化合物。1982年伊利諾伊理工大學(xué)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性。他們發(fā)現(xiàn)，鋰離子嵌入石墨的過(guò)程不僅快速，而且可逆。

正極嵌入物質(zhì)的尋找早在鋰二次電池時(shí)期就開(kāi)始了。1970年，M.S.Whittingham發(fā)現(xiàn)鋰離子可以在層狀材料TiS2可逆的嵌入析出，適合做鋰電池正極。1980年，美國(guó)物理學(xué)教授JohnGoodenough找到了新物質(zhì)的LiCoO2，也是類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)。1982年，Goodenough就發(fā)現(xiàn)了尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4，這種尖晶石結(jié)構(gòu)能夠提供三維的鋰離子脫嵌通道，而普通正極材料只有二維的擴(kuò)散空間。此外，LiMn2O4的分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰(LiCoO2)，因此安全性更強(qiáng)。1996年Goodenough又發(fā)現(xiàn)具有橄欖樹(shù)結(jié)構(gòu)的LiFePO4，這個(gè)物質(zhì)具有更高的安全性，尤其耐高溫，耐過(guò)充電性能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)鋰離子電池材料。

1990年日本的索尼(Sony)公司率先研制成功鋰離子電池。1992年，商業(yè)化的可充電氧化鋰鈷離子電池由索尼推出，并將該技術(shù)重新命名為“Li-ion”。這個(gè)標(biāo)識(shí)可以在很多手機(jī)電池或者筆記本電池上找到。很多電子產(chǎn)品中提到的“鋰電池”實(shí)際上指的是鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小。使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

目前最廣泛使用的鋰離子電池的負(fù)極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的有機(jī)溶劑。放電時(shí)，嵌入在石墨負(fù)極中的鋰被氧化進(jìn)入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時(shí)，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環(huán)往復(fù)。這樣的電池，工作電壓可達(dá)到3.7伏以上，能量密度大大提高。

四、聚合物鋰離子電池

一般的電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說(shuō)在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料做為主要的電池系統(tǒng)。而在目前所開(kāi)發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中，主要是以高分子材料主要是取代電解質(zhì)溶液。我們今天廣泛使用的鋰電池，確切說(shuō)分為鋰離子電池(Li-ion)和鋰聚合物電池(Li-Po)兩種。

1973年，Wright等人發(fā)現(xiàn)聚氧化乙烯-堿金屬鹽復(fù)合物有較高的離子導(dǎo)電性，此后，離子導(dǎo)電性聚合物受到人們的重視。1975年Feullade和Perche又發(fā)現(xiàn)PEO，PAN,PVDF等聚合物的堿金屬鹽配合物具有離子導(dǎo)電性，并制成了PAN和PMMA基的離子導(dǎo)電膜。1978年，法國(guó)的Armadnd博士預(yù)言這類材料可以用作儲(chǔ)能電池的電解質(zhì)，提出電池用固體電解質(zhì)的設(shè)想。于是在世界范圍內(nèi)展開(kāi)了聚合物電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)研究。最早在鋰二次電池應(yīng)用的聚合物電解質(zhì)有PEO與鋰鹽形成的配合物體系，但由于該體系在室溫下的電導(dǎo)率較差，因此未能得到工業(yè)應(yīng)用。后來(lái)發(fā)現(xiàn)采用共混合并在聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑可以顯著提高聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率。

鋰離子電池中，正極與負(fù)極一定不能直接接觸，否則就會(huì)發(fā)生短路，造成一系列安全問(wèn)題。聚合物鋰離子電池的電解質(zhì)是以固態(tài)或膠態(tài)的形式存在的，可以避免液體電解質(zhì)易發(fā)生電解液泄漏和漏電電流大的問(wèn)題。并且聚合物材料的可塑性強(qiáng)，可以制成大面積的超薄薄膜，保證與電極之間具有充分接觸。由于電解液被聚合物中的網(wǎng)絡(luò)所捕捉，均勻地分散在分子結(jié)構(gòu)中，因而電池的安全性也大大地提高。1995年，日本索尼公司發(fā)明了聚合物鋰電池，電解質(zhì)是凝膠的聚合物。1999年，聚合物鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商品化。

鋰離子的未來(lái)趨勢(shì)，使鋰離子電池具有較高的能量密度、功率密度，較好的循環(huán)性能及可靠的安全性能。目前，鋰電池仍然存在著一些安全問(wèn)題，比如部分手機(jī)廠商于對(duì)隔膜材料質(zhì)量控制不嚴(yán)或者工藝缺陷，導(dǎo)致隔膜局部變薄，不能有效隔離正極與負(fù)極，從而造成了電池的安全問(wèn)題。其次鋰電池在充電過(guò)程中很容易發(fā)生短路情況。雖然，現(xiàn)在大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護(hù)電路，還有防爆線，但很多情況下，這個(gè)保護(hù)電路在各種情況下不一定會(huì)起作用，防爆線能起的作用也很有限。