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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。
3. 锂离子电池的基本构成
要实现上述的功能,锂离子电池内部需要包含几种基本材料:正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。下面做简单论述,这些材料都是干嘛的。
正负极不难理解,要实现电荷移动,就需要存在电位差的正负极材料,那么什么是活性物质?我们知道,电池实际上是将电能和化学能相互转换,以实现能量的存储和释放。要实现这个过程,就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应,要活泼,要容易氧化和还原,从而实现能量转换,所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。
上面已经提到,锂元素是我们做电池的优选材料,那么为什么不用金属锂来做电极的活性物质呢?这样不是可以达到最大的能量密度吗?
我们再看上面这张图,氧(O)、钴(Co)、锂(Li)三种元素构成了非常稳定的正极材料结构(图中的比例和排列仅作参考),负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼,还要具有非常稳定的结构,才能实现有序的,可控的化学反应。不稳定的结果是什么?想想汽油燃烧和炸弹爆炸,能量剧烈释放,这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的,于是化学能变成了热能,一次性把能量释放完毕,而且不可逆。
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