一、前言
這里所說的鋰離子電池特指可反復(fù)充電的二次鋰離子電池，而不是用完就扔的一次電池。
鋰離子電池分布在我們生活的每一個(gè)角落，其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動(dòng)電源(充電寶)、應(yīng)急電源、剃須刀、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)公交車、旅游觀光車、無人機(jī)，以及其他各類電動(dòng)工具。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動(dòng)力來源，可以說，離開了鋰離子電池，當(dāng)今的物質(zhì)世界就玩不轉(zhuǎn)了(除非我們想倒退回幾十年前)。那么，鋰離子電池到底是什么鬼？
本文不科普電池的基本原理和發(fā)展歷史，有興趣的請(qǐng)百度查詢，這里頭有很多故事。物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了，電池跟這兩個(gè)領(lǐng)域直接相關(guān)，與電池有關(guān)的理論，在二戰(zhàn)之前就已經(jīng)研究的差不多了，二戰(zhàn)以后并無大的創(chuàng)新。作為電池技術(shù)的一種，鋰離子電池的相關(guān)理論研究，近年來也沒有什么突破性進(jìn)展，大多數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產(chǎn)業(yè)化的程度，研究出性能更優(yōu)異的鋰離子電池(存儲(chǔ)能量更多，用的更久)。
很多人在使用鋰離子電池，很多人在研究鋰離子電池的產(chǎn)品應(yīng)用(如上面提到的產(chǎn)品)，可是大多數(shù)人對(duì)鋰離子電池知之甚少，或者總是霧里看花，不得要領(lǐng)。寫本文的目的，不是為了給做鋰離子電池研發(fā)的人看的，而是給那些在產(chǎn)品里面用到鋰離子電池的工程技術(shù)人員或者鋰離子電池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂，盡量不使用專業(yè)化的術(shù)語和公式，希望在輕松閱讀之余，能夠提升大家對(duì)鋰離子電池的認(rèn)識(shí)，起到答疑解惑的作用。
作者本人不是鋰離子電池領(lǐng)域的專家，沒有從事過鋰離子電池單體的技術(shù)或產(chǎn)品研發(fā)，但曾長期從事鋰離子電池的應(yīng)用技術(shù)研究，因此希望站在“用戶”的角度，來闡述我對(duì)鋰離子電池的認(rèn)識(shí)。普通用戶，通常把鋰離子電池直接叫作鋰電池，雖然兩者并不完全等同，但鋰離子電池確實(shí)是當(dāng)前鋰電池的絕對(duì)主體。
文中大部分的內(nèi)容，都不是本人的原創(chuàng)，而是已經(jīng)存在的知識(shí)，站在巨人的肩膀上，我們要做的僅僅是站直身體，抬起頭，世界就在我們眼前。
二、鋰離子電池的基本原理
1.如何選擇能量的載體
首先大家會(huì)問，為什么選擇鋰元素作為能量載體？
好吧，雖然我們不想去回顧化學(xué)的知識(shí)，可是這個(gè)問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧？！實(shí)在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。
要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲(chǔ)和搬運(yùn)更多的能量。因此，需要滿足下面幾個(gè)基本條件：
1)原子相對(duì)質(zhì)量要小
2)得失電子能力要強(qiáng)
3)電子轉(zhuǎn)移比例要高
基于這3項(xiàng)基本原則，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個(gè)元素。
氫元素是自然界最好的能量載體，所以氫燃料電池的研究一直方興未艾，代表了電池領(lǐng)域一個(gè)非常有前途的方向。當(dāng)然，如果核裂變技術(shù)在未來幾十年能夠取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便攜式的核燃料電池將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。
接下來就是鋰了，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當(dāng)前的所有元素中，我們能夠找到的相對(duì)優(yōu)解(鈹?shù)膬?chǔ)量太少了，是稀有金屬中的稀有金屬)。氫燃料電池與鋰離子電池的技術(shù)路線之爭，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域打的如火如荼，大概就是因?yàn)檫@兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當(dāng)然，這里面還牽涉到很多的商業(yè)利益，甚至政治博弈，這些不是本文要討論的范疇。
順便說一下，自然界中已經(jīng)存在的，并為人類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其主要成分也是碳、氫、氧等元素(在元素周期表的第一周期和第二周期)。所以不管是自然的選擇，還是人類的“設(shè)計(jì)”，最終都是殊途同歸的。
2.鋰離子電池的工作原理
下面講講鋰離子電池的工作機(jī)理。這里不闡述氧化還原反應(yīng)，化學(xué)基礎(chǔ)不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識(shí)還給老師的人，看到這些專業(yè)的東西就會(huì)頭暈，所以我們還是搞點(diǎn)直白的描述。這里借用一張圖，這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。
我們按照使用的習(xí)慣，根據(jù)充放電時(shí)的電壓差區(qū)分正極(+)和負(fù)極(-)，這里不講陽極和陰極，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)極材料是石墨(C)。
充電的時(shí)候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子(Li+)，在電場力的作用下，從正極移動(dòng)到負(fù)極，與負(fù)極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負(fù)極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負(fù)極的鋰離子越多，這個(gè)電池可以存儲(chǔ)的能量就越多。
放電的時(shí)候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子(Li+)從負(fù)極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子(LiCoO2)。從負(fù)極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個(gè)電池可以釋放的能量就越多。
在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li+)充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來回的移動(dòng)，與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個(gè)循環(huán)過程中，并沒有電子在正負(fù)極之間的來回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。
3.鋰離子電池的基本構(gòu)成
要實(shí)現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡單論述，這些材料都是干嘛的。
正負(fù)極不難理解，要實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)，就需要存在電位差的正負(fù)極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們知道，電池實(shí)際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，就需要正負(fù)極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來做電池的正負(fù)極。
上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢？這樣不是可以達(dá)到最大的能量密度嗎？
我們?cè)倏瓷厦孢@張圖，氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)(圖中的比例和排列僅作參考)，負(fù)極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負(fù)極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果是什么？想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過程實(shí)際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。
金屬形態(tài)存在的鋰元素太“活潑”了，調(diào)皮的孩子多半都不聽話，喜歡搞破壞。早期針對(duì)鋰電池的研究，確實(shí)是集中以金屬鋰或其合金作為負(fù)極這個(gè)方向，但是因?yàn)榘踩珕栴}突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對(duì)能量密度的追求，這個(gè)研究方向又有“滿血復(fù)活”的趨勢(shì)，這個(gè)我們后面會(huì)講到。
為了實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時(shí)候活潑，在需要穩(wěn)定的時(shí)候穩(wěn)定。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負(fù)極的活性物質(zhì)，解決了上述問題。如上圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會(huì)造成晶格坍塌。題外話，鋰金屬電池確實(shí)是有的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計(jì)，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。
當(dāng)然，在解決了穩(wěn)定性問題的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的“副作用”，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個(gè)數(shù)量級(jí)，有得必有失，自然之道啊。
負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對(duì)穩(wěn)定，還要有相對(duì)豐富的儲(chǔ)量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個(gè)相對(duì)優(yōu)解。當(dāng)然，這并不是唯一解，針對(duì)負(fù)極材料的研究很廣泛，后面有論述。
電解質(zhì)是干嘛的？通俗的講，就是游泳池里面的“水”，讓鋰離子能夠自由的游來游去，所以呢，離子電導(dǎo)率要高(游泳的阻力小)，電子電導(dǎo)率要小(絕緣)，化學(xué)穩(wěn)定性要好(穩(wěn)定壓倒一切啊)，熱穩(wěn)定性要好(都是為了安全)，電位窗口要寬?；谶@些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機(jī)溶劑有PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6，LiBF4等材料。
隔離膜則是為了阻止正負(fù)極材料直接接觸而加進(jìn)來的，我們希望把電池做的盡可能的小，存儲(chǔ)的能量盡可能的多，于是正負(fù)極之間的距離越來越小，短路成為一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止正負(fù)極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負(fù)極“隔離”開來，這就是隔離膜的由來。隔離膜需要具有良好的離子通過性，主要是給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時(shí)又是電子的絕緣體，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。
4.鋰離子電池的完整材料構(gòu)成
除了上面提到的4種主要材料之外，要想把鋰離子電池從實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)“實(shí)驗(yàn)品”變成一個(gè)可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，還需要其他一些不可或缺的材料。
我們先看電池的正極，除了活性物質(zhì)之外，還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，以及用作電流載體的基體和集流體(正極通常是鋁箔)。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面，導(dǎo)電劑則要增強(qiáng)活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率，以達(dá)到更大的充放電電流，集流體負(fù)責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。
負(fù)極的構(gòu)造與正極基本相同，需要粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)石墨，需要銅箔作為基體和集流體來充當(dāng)電流的導(dǎo)體，但因?yàn)槭旧砹己玫膶?dǎo)電性，所以負(fù)極一般不添加導(dǎo)電劑材料。
除了以上材料外，一個(gè)完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體(鋁，鋼，復(fù)合膜等)，以及其他一些輔助材料。
5.鋰離子電池的制作工藝
鋰離子電池的制作工藝比較復(fù)雜，此處僅就部分關(guān)鍵工序做簡單描述。根據(jù)極片裝配方式的不同，通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。
疊片工藝是將正極、負(fù)極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來，組成一個(gè)大電芯的制造工藝，其大體工藝流程如下：
卷繞工藝是將正負(fù)極片、隔離膜、正負(fù)極耳、保護(hù)膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過放卷完成電芯制作。
鋰離子電池的常見外形主要有圓柱形和方形，根據(jù)殼體材料不同，又有金屬外殼和軟包外殼等。
