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太蓝锂汇|电池的玄妙与魔力,锂电池的原理概述(上)

2022-08-11 09:59:03 5E

导读:

电化学产业经历了长足平妥的发展过程,大量的科研院所、企业机构潜心研究,在前进路途中不断涉历和试错,同时也贡献了卓著的研究成果。时序更替,在此前长达30年的时间里,锂电池的基础体系基本保持相对平稳的态势。探索无限止、前进疾兼程,现今的电池技术仍然在渐进发展,未来仍为可期。

「太蓝锂汇」是太蓝新能源开设的电池科普内容集汇栏目,通过知识科普触及锂电池技术动态和相关市场领域。深耕于先进固态锂电产业研发,太蓝力量正当时,并且将不断发荣滋长。

电是现代文明的血液,电能的利用是人类进入现代化社会的标志。电池作为一种能量转化与储存的装置,通过反应将化学能转化为电能。电流无形,带来的现实力量却在转化成有形的科技力量,深藏着推动社会发展与技术革新的玄妙与魔力。

基于我们之前的《关于锂电池的基础解读》,本文当中所指的锂离子电池特指可反复充电的二次锂离子电池,而不是一次性电池。

锂离子电池在我们的日常生活中随处可见,其应用领域包括消费类(消费电子,电动工具等)、动力类(新能源汽车等)、储能类(储能基站、工业储能电站等)。作为电能的载体和众多设备的动力来源,可以说,如果没有锂离子电池,也就无法实现诸多科技成果的实际转化。

作为电池技术的一种,锂离子电池的相关理论研究,近年以来的研究成果大多数研究都集中在材料、配方、工艺等方面,也就是如何提高产业化的程度,研究出性能更优异的锂离子电池(能量密度更高、循环寿命更长)。

锂离子电池的基本原理

1.如何选择能量的载体

首先大家会问,为什么一定要选择锂元素作为能量载体?

元素周期表会给予答案。

为什么选择锂,锂的电极电位是首屈一指的。电化学反应里面,翻遍元素周期表100多种元素,它一定是能量密度最高的,所以制作电池,会首选锂,因为它最轻而且电压最低。所以为什么选锂,也就是这个核心点。

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,需要满足以下几个基本条件:

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。氢元素是非常好的一种能量载体,关于氢燃料电池的研究一直方兴未艾。

接下来的重头戏就是锂,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(铍的储量比较少,属于稀有金属)。

目前自然界中已经存在的,并且可以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)。所以无论是自然的选择,还是人类的“设计”,最终都是殊途同归的。

2.锂离子电池的工作原理

按照常规的使用习惯,根据充放电时的电压差区分正极(+)和负极(-);

举例来讲,如果电池的正极材料是钴酸锂(LiCoO2),负极材料是石墨(C)。在充电的时候,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,从正极经过电解质移动到负极,与负极的碳原子发生化学反应,生成LiC6,于是从正极脱出来的Li+就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构中。从正极跑出来转移到负极的Li+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Li+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,所以锂离子电池又被称作“摇椅式电池”。Li+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。




责任编辑: 李颖

标签: 锂电池 原理概述

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