锂离子电池的发展与应用

作者: 立青

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-11-05 10:03:35

本文详细介绍了锂离子电池的发展历程、工作原理及其在现代生活中的广泛应用,并提供了使用锂离子电池时应注意的事项。

人类社会的发展离不开能源,几次工业革命的发展都依赖于储能技术的发展。今天,锂离子电池为全世界提供着电力,从智能手机到电动汽车,锂离子电池已经无处不在,它为日益机动的世界扫平了障碍。与其他商业化的可充放电池相比,锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全可靠等优点,成为了各国科学家努力研究的重要方向。

锂离子电池是一种二次电池(可充电电池),主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。在电池内部,带电的原子,也被称为离子,沿着两个电极之间的路径运动,并产生电流。锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充电过程中,锂离子从正极材料中脱出,经过电解液传输至负极,电子由负极经外电路转移至正极;而在放电过程中,锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。

在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中,其正极是钴酸锂材料,负极是碳材料。1912年锂金属电池最早由吉尔伯特·牛顿·路易士提出并研究,但由于锂金属的化学性质非常活泼,使得锂金属的加工、保存和使用对环境要求非常高,使得锂电池长期没有得到应用。20世纪70年代,美国爆发石油危机,政府意识到对石油进口的过度依耐性,开始大力发展太阳能和风能。

但由于太阳能和风能的间歇性特点,最终还是需要可充电电池来储存这些可再生的清洁能源。此时,宾汉姆顿大学化学教授斯坦利·惠廷厄姆在纽约起草了锂电池的初始设计方案,采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个新型锂电池。锂离子电池是由锂电池发展而来,随着科学技术的发展,现在锂离子电池已经成为了主流。锂离子电池的基本概念,始于1972年米歇尔·阿曼德等提出的“摇椅式”电池。

在锂离子电池的研究中,正负极材料的研发,是锂离子电池发展的关键所在,有五位杰出的科学家在此方面做出了重要的开创性贡献,特别是美国奥斯汀得克萨斯大学机械工程及电子工程系教授约翰·班尼斯特·古迪纳夫为现在商业化正极材料的发展做出了卓越的贡献。作为钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料的发明人,古迪纳夫在锂离子电池领域声名卓著,是名副其实的“锂离子电池之父”。商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间。

正极材料的研究成果,最终指引日本名古屋市的旭化成公司以及名城大学的旭化成教授制备出了第一个可充电锂离子电池:以钴酸锂作锂源正极材料、石油焦作负极材料、六氟磷酸锂溶于丙烯碳酸酯和乙烯碳酸酯作电解液的可充放二次锂离子电池。这个电池成功应用到索尼公司最早期移动电话中,并在1991年开始商业化生产,标志着锂离子电池时代的到来。

如今,锂离子电池已经遍布在我们生活的方方面面——手机、电脑、电动车等,都离不开锂离子电池。在使用锂离子电池,特别是手机电池时,我们应该注意哪些问题呢?不要让你们的手机电量耗尽甚至自动关机,因为这样会损坏你的电池,而减少它的使用寿命。当然,也不要通宵达旦一致对自己的手机充电,虽然现在的电池已经拥有了过度充放电保护电路,但是在有些电池中,还是有可能出现过度充电的情况,严重影响着电池的使用寿命。

要避免在较低温度和较高温度的环境下使用手机等电子产品,因为电池内部是依靠化学反应进行充放电过程的,低温会使相应的化学反应速率变慢,从而影响电量的变化。当然啦,高温(高于40℃)情况下也是不建议使用的,也要避免接触热源和太阳的直接照射,比较高温下电池内部的化学环境会发生一些不可逆的改变,严重影响着电池的容量。

科学家也在积极探索解决电池在高温和低温环境下使用的问题,相信在不久的将来,这一问题会得到很好的解决。要避免对你的手机等电子产品使用“暴力”,这样很有可能造成电池的短路,从而产生泄露、发热等危险。锂离子电池的发展还在不断向前,甚至延伸出钠离子电池等新的离子电池系列,开发高容量、高安全性和低成本的离子电池将一致是世界各国科学家奋斗的目标。

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