關於鋰離子電池,你所不知道的一些事兒
Goodenough老先生
在陪跑了多年諾獎之後,終於在今年獲得了諾貝爾化學獎(然而諾貝爾文學獎村上春樹今年繼續陪跑,心疼他一秒)。關於鋰離子電池為什麼可以得諾獎,可以看看
諾貝爾化學獎評選委員會
的官方解讀——他們研製出了世界上最強的電池(放心,已經貼心地翻譯成中文了)。
村上春樹
Goodenough老先生得諾獎的呼聲一直很大,今年
美國化學會
(ACS)邀請化學家們進行了一場網路直播,預測今年的諾貝爾化學獎,
鋰離子電池
和
CRISPR
(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat)得票最高
[1]
(所以小編在此奶一口CRISPR,沒準明年就得獎了呢)。
CRISPR的可能機制示意圖 | 來源:Wikipedia
鋰離子電池得諾獎確實是眾望所歸。鋰離子電池現在已經深入到了生活中的方方面面,它讓電子裝置更加輕量、續航更加持久,比如你現在能用手機刷這篇文章就離不開鋰離子電池。
鋰離子電池原理 [2]
我們現在的生活已經離不開鋰離子電池,大家對它的原理、歷史之類的都比較熟悉了,那麼小編今天就劍走偏鋒,來給大家聊一聊鋰離子電池少為人知的一面。
鋰電池?鋰離子電池!
可能有小可愛已經注意到了,小編說的一直都是“
鋰離子電池
”,但平時大家可能有聽到過鋰電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池等各種各樣的名詞,被這些名詞搞的七葷八素的。小編下面就來給大家捋一捋。
鋰電池的概念其實很混亂,沒有一個很統一的說法,姑且看一下國標(其實是推薦性國家標準)裡面是怎麼說的吧。《電工術語 原電池和蓄電池》(GB/T 2900。41-2008)中把鋰電池定義為“
含非水電解質,負極為鋰或含鋰的電池
”,可以是原電池也可以是蓄電池。這個範圍就很寬泛了,只要負極含鋰,電解質是非水的就行。平時更多的是把
負極是金屬鋰的一次電池
叫做鋰電池,也叫鋰原電池,是不能充電的,代表性的有鋰-二氧化錳電池、鋰-氟化碳電池、鋰-亞硫醯氯電池。
鋰原電池
鋰離子電池則是為了與鋰電池相區別而發明出來的一個詞語。前Sony高階執行副總裁兼首席技術官
西美緒(Yoshio Nishi)
解釋說
[2]
,負極的鋰碳化合物中的“鋰”是以離子的形式存在的,而正極的LiCoO2是離子化合物,鋰也是以離子形式存在的,電池中沒有金屬鋰的存在,因此叫做“鋰離子電池”,得了諾獎的就是它。顯然,鋰離子電池是可充電電池。
西美緒(對鋰離子電池的產業化做出了很大貢獻)
滿電態的負極,金色的是LiC6,鋰並沒有以金屬單質的形式存在(將鋰離子電池充好電後拆解,圖中是在手套箱中操作,千萬別自己拆解充好電的鋰離子電池,LiC6在空氣中會自燃,也最好別自己更換手機電池,有可能操作不當把電池劃破了,搞不好會起火爆炸)
說到鋰離子電池,還有個人也不得不提一下,那就是法國科學家
米歇爾·阿曼德(Michel Armand)
,他在1972年提出了
插層化合物
和“
搖椅電池
(rocking chair batteries)” 的概念,正負極採用插層化合物,將鋰離子在正負極之間的穿梭形象地比作搖椅的搖動。
Michel Armand
當你以後聽到有人說鋰電池得了諾獎,或者說手機上用的是鋰電池的時候,就可以禮貌而不失微笑地指出:那不是鋰電池,是鋰離子電池(
lithium-ion batteries
)。裝B之後飄然而去,深藏功與名。
至於鋰聚合物電池,其實就是鋰離子電池,也叫聚合物鋰離子電池。和傳統的鋰離子電池相比,不一樣的地方在於它的外殼是
鋁塑膜
,然後就沒啥大的差別了。換個殼就可以改個高大上的名字,真讓人頭冷。所謂鋁塑膜,就是兩層
聚丙烯
之間夾著一層鋁箔,鋁箔是用來
防止空氣中的水透過聚丙烯
進入電池內部的,用鋁塑膜做外殼的好處就是可以減輕電池的重量。
聚合物鋰離子電池(也叫軟包電池),外殼就是鋁塑膜
還有種“
凝膠聚合物鋰離子電池
”,它用的電解質比較特殊,像一般的鋰離子電池用的電解液是液態的,而它用的是凝膠態的,就像果凍一樣。
鋰離子電池的容量與能量
現在的手機螢幕越來越大,相應的耗電量也增加了。所以,手機電池的容量也就成了一個很重要的選購指標,畢竟誰也不想用著手機的同時還拖著長長的充電線吧。
真香警告
現在衡量手機電池容量的單位是mAh,高中知識告訴我們,這是電量的單位,還需要乘上個電壓才是能量的單位。
電池容量計算方法:
電池能量計算方法:
等等,手機消耗的明明是能量,怎麼用個電量的單位來衡量它?!這其實是因為在手機這類行動式電子裝置中,為了減小電池的體積,鋰離子電池的正極使用的都是
鈷酸鋰
,這種正極材料具有很高的
壓實密度
。正因為手機電池的正極用的都是同一種材料,所以電池的電壓都比較接近(理論上是3。7V,這個具體和不同電池生產商的工藝有關),再加上手機裡面往往只有一塊
單體電池
(請忽視最近某手機廠出的某款手機,裡面有兩塊2000mAh的電池),只用容量其實就可以衡量電池儲存能量的大小。
但是電腦上的電池卻會同時標註電池的容量(電量)和能量。這是因為,電腦中不只有一塊單體電池啊,裡面有很多塊電池串並聯,形成了
電池組
,就不能用電池的容量來衡量了。高中知識告訴我們:
同一型號的電池,電池並聯後,電池組的電壓不變,但會增加電池組的容量;電池串聯,電池組的容量不變,但是會增加電池組的電壓。
電池並聯 | 來源:esigara。eu
電池串聯 | 來源:batteryuniversity。com
現在就以小編手頭上的這檯筆記本電腦為例,它的規格引數上寫著“57。4Wh/7565mAh@7。6V(典型容量)”,這就說明,這是由四塊容量為3782。5mAh,電壓為3。8V鋰離子電池串並聯形成的電池組,7565mAh×7。6V=57。494Wh。那麼為什麼不是由兩塊7565mAh的電池串聯呢?嘿嘿,7565mAh的電池容量太大了,對生產的要求比較高;其次3782。5mAh的電池其實就是手機上用的電池,對工廠來說,只要一條生產線就可以同時生產手機、電腦用的電池,這樣可以減少成本。
然後小編去看了另一臺膝上型電腦的電池規格引數,見下圖。
乍一看,這塊電池的容量就比手機電池大一點,怎麼能給膝上型電腦用?但是看一下它的電壓就恍然大悟。這是由6塊容量為2200mAh,電壓為3。6V的電池串並聯而成的,也就是傳說中的
6芯鋰離子電池
(裡面有6個單體電池)。從這根電池的形狀(長長的)和2200mAh的容量可以看出,這是18650電池(就是電池直徑為18mm,高度為65mm的圓柱電池)。
所以,衡量電池的續航能力,還是看能量比較靠譜,自己動手算一算。
鋰離子電池使用指北
小編曾經聽有人說過,剛買回來的手機前幾次使用的時候,要先充滿電,再把電量耗盡,反覆幾次,這樣才能將電池啟用,電池的壽命會更長。
當聽到這個說法的時候,小編我頓時就在風中凌亂了。這哪是讓鋰離子電池電池長壽,分明是讓鋰離子電池短命啊。如果把時間倒退個二十年,這個說法是沒有很大問題的。因為那是使用的還是鎳氫電池,它有所謂的“
記憶效應
”,就是電池放久了之後鎳極板上的晶體會變得粗大,影響和電解液的接觸,導致容量下降
[3]
。進行幾次完全的充放電能讓晶粒細化,讓容量部分恢復,這就是所謂的“啟用”。
鎳氫電池 | 來源:Wikipedia
而現在手機早已經用上了鋰離子電池。前面已經說了,鋰離子電池是基於鋰離子在插層化合物中嵌入脫出,並不存在著什麼“記憶效應”。所以剛買來的手機,直接用就行。
又有人問,鋰離子電池的迴圈壽命只有500次左右,那麼要怎樣才能讓鋰離子電池壽命延長?
鋰離子電池的迴圈壽命一般是定義為:
鋰離子電池進行深度充放電時,其容量能保持在80%以上的迴圈次數。
從這兒可以看出兩個關鍵詞:深度充放電和80%。深度充放電容易破壞鋰離子電池中的微觀結構,使得容量降低。但是我們的手機有保護機制,是沒法對電池進行深度充放電的,那得要用電池廠的專門裝置才行;其次,鋰離子電池的容量在80%以下並不是說它不能用,只是會讓使用者覺得電池不耐用了。
如果鋰離子電池在工廠測試時的壽命有500次,那麼我們平時使用的壽命肯定是要大於500次的。因為我們平時正常使用做不到對電池深度充放電,電池容量衰減沒那麼厲害。至於如何讓鋰離子電池更長壽,我們所能做的就是別對電池深度充放電(當然更要
避免過度充電,過度放電
),也就是要對鋰離子電池淺充淺放:沒充滿電就用,沒放完電就充。但這樣子做實在是影響玩手機的樂趣啊,所以有個更折衷的方案:手機充滿電後再使用,還剩20%的電的時候就充電,別等到手機自動關機了才去充電。為啥是20%?因為小編的手機在20%電量時會進入省電模式,小編有強迫症,這時會迫不及待給手機充電。
手機電量恐懼症
其實我們那些不良使用習慣工程師早就考慮到了,不用自己瞎操心(真·我比工程師聰明系列),手機電池正常使用兩三年還是扛得住的,兩三年到了,手機其實也差不多該換了。
參考資料
[1]
https://
cen。acs。org/people/nobe
l-prize/Who-will-win-the-2019-Nobel-Prize-in-Chemistry/97/web/2019/10
[2] Nishi Y。 The development of lithium ion secondary batteries[J]。 Chemical Record, 2001, 1(1): 406-413。
[3]
https://
batteryuniversity。com/i
ndex。php/learn/archive/memory_myth_or_fact
封面圖來自系統之家