汽车动力电池解析：手把手带你认识锂离子电池（一）

　　2.锂离子电池的工作原理

　　下面讲讲锂离子电池的工作机理。这里不阐述氧化还原反应，化学基础不好的，或者已经把化学知识还给老师的人，看到这些专业的东西就会头晕，所以我们还是搞点直白的描述。这里借用一张图，这张图比较容易让人理解锂离子电池的原理。

　　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。

　　金属形态存在的锂元素太“活泼”了，调皮的孩子多半都不听话，喜欢搞破坏。早期针对锂电池的研究，确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向，但是因为安全问题突出，不得不寻找其他更好的路径。近年来，随着人们对能量密度的追求，这个研究方向又有“满血复活”的趋势，这个我们后面会讲到。

　　为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，在需要活泼的时候活泼，在需要稳定的时候稳定。经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极或负极的活性物质，解决了上述问题。如上图所示，磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构，充放电过程中锂离子的脱嵌，并不会造成晶格坍塌。题外话，锂金属电池确实是有的，但与锂离子电池相比，几乎可以忽略不计，技术的发展，最终还是要服务于市场。

　　当然，在解决了稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”，就是作为能量载体的锂元素占比大大降低，能量密度降了不止一个数量级，有得必有失，自然之道啊。