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摘要
鋰離子電池在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用。本文用擬人化的手法，將鋰離子化身為小禮，通過(guò)講述小禮上學(xué)途中發(fā)生的故事，細(xì)致地向讀者介紹了鋰電池的工作原理、活性材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及電池使用過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生原因和解決方法。
鋰電池的誕生
鋰電池實(shí)際上分為兩種，一種是電池中使用了鋰金屬，一種是電池中不使用鋰金屬，而是使用能儲(chǔ)存鋰離子的材料。嚴(yán)格地說(shuō)，前一種稱為鋰金屬電池，后一種叫鋰離子電池。現(xiàn)在我們稱為鋰電池的絕大多數(shù)是鋰離子電池。
鋰金屬于1817年被發(fā)現(xiàn)。在所有金屬中，鋰的密度最小(0.534 g·cm?3)、電極電勢(shì)最低(?3.04 V vs. SHE)。和使用其他金屬材料的電池相比，放出同樣電量時(shí)使用鋰金屬的電池重量最輕。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，鋰金屬非常適合作為電池的負(fù)極材料[1]。 因此，最先被發(fā)明出來(lái)的鋰電池中使用了鋰金屬作為負(fù)極。
1957年，法國(guó)工程師赫伯特和烏拉姆申請(qǐng)了鋰硫電池和鋰碘電池的專利，但是沒(méi)有成功商業(yè)化[2]。1972年，美國(guó)埃克森公司的惠廷漢姆(Stanley Whittingham)等人設(shè)計(jì)了以鋰金屬為負(fù)極、二硫化鈦為正極的可充電鋰電池，并被生產(chǎn)出來(lái)投入市場(chǎng)，然而沒(méi)多久它就因頻繁發(fā)生的爆炸事故黯然退市[3]。這是為什么呢？
休息好，才能學(xué)習(xí)好-——工作原理
放學(xué)嘍！ 小禮感覺(jué)渾身酸軟，恨不得趕緊飛到家里的床上美美睡上一覺(jué)。雖然每天在學(xué)校學(xué)習(xí)都能吸收新的知識(shí)，但是真消耗腦力和體力啊，學(xué)習(xí)哪是容易的事情呢？
放電原理：同學(xué)們都爭(zhēng)先恐后地跑出教室，趕往學(xué)校外面的碼頭。早一步坐上船，就能早點(diǎn)劃船回家啊。 這就是小禮周一到周五的生活軌跡——到學(xué)校學(xué)習(xí)(圖1(a))，回小區(qū)休息(圖2(a))。學(xué)習(xí)真是累啊，雖然每天到學(xué)校時(shí)小禮總是精神十足，但是認(rèn)真學(xué)習(xí)了一天，能量真的消耗得差不多了。只有回到家里躺在舒服的床上睡上一大覺(jué)，才能讓小禮重新充滿快樂(lè)的能量。
充電原理：鋰離子電池的工作原理和小禮每天的學(xué)習(xí)和休息過(guò)程很相似。小區(qū)可看作鋰離子電池的負(fù)極，學(xué)校看作正極，在小區(qū)和學(xué)校之間的河流是電池的電解液，而河流中的溝渠可看作電池的隔膜，碼頭則是正極和負(fù)極活性材料顆粒(圖1(b)和圖2(b))。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)包含了正極、負(fù)極、電解液和隔膜。小禮到學(xué)校學(xué)習(xí)消耗能量就是鋰電池的放電過(guò)程(圖1(b))；回到家里休息收獲滿滿的能量就是鋰電池的充電過(guò)程(圖2(b))。
鋰離子在電池中來(lái)回運(yùn)動(dòng)，就像是在壓蹺蹺板或者在躺椅上搖來(lái)?yè)u去。因此，鋰離子電池還有一個(gè)外號(hào)——“搖椅電池”[4]。
但要注意，鋰離子電池能夠充放電是因?yàn)樨?fù)極中鋰離子和正極中鈷、鐵、鎳等金屬離子的氧化和還原，并不僅僅是因?yàn)殇囯x子在電池正負(fù)極間來(lái)回移動(dòng)。
碼頭的事故——鋰枝晶問(wèn)題
沖啊！ 雖然小禮覺(jué)得很累，但還是鉚足了勁往前劃。可是有勁的同學(xué)多著呢，小禮被遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落在后面。大家都想早早回到家里寫(xiě)完作業(yè)，能看會(huì)兒電視或者玩會(huì)兒游戲呢。 等小禮劃到小區(qū)碼頭的時(shí)候，碼頭的棧橋上已經(jīng)擠滿了熙熙攘攘的同學(xué)了。最快的同學(xué)已經(jīng)跑回家了，后面的同學(xué)才著急呢。小禮放學(xué)前和同學(xué)約了做完作業(yè)玩會(huì)兒《原神》，于是跳下船就往棧橋上擠。奈何碼頭上的同學(xué)摩肩接踵，棧橋上都擠滿了同學(xué)。小禮一個(gè)不留神，“撲通”一下就掉到了河里(圖3(a))。
鋰枝晶生長(zhǎng)：在鋰電池正常的充電過(guò)程中，鋰離子要進(jìn)入負(fù)極的石墨顆粒內(nèi)部的碳層間，接收來(lái)自正極的電子被還原為鋰原子。如果鋰離子不能及時(shí)進(jìn)入石墨晶格，就會(huì)聚集在石墨顆粒表面，然后被還原為鋰原子，當(dāng)鋰原子聚集地越來(lái)越多時(shí)(像碼頭上擠在一起的同學(xué)們)，它們就生長(zhǎng)為樹(shù)枝一樣的金屬晶體(圖3(b))。鋰枝晶是鋰電池安全運(yùn)行的死敵。鋰枝晶生長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)后，會(huì)刺破隔膜造成電池短路，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，造成電解液和電池材料燃燒，甚至發(fā)生爆炸。
