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，就要存在電位差的正負(fù)極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們了解，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)能量的存儲和釋放。要實(shí)現(xiàn)這個過程，就要正負(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，那么為何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？

我們再看上面這張圖，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。早期針對鋰離子電池的研究，確實(shí)是集中以金屬鋰或其合金作為負(fù)極這個方向，但是因為安全問題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有滿血復(fù)活的趨勢，這個我們后面會講到。

為了實(shí)現(xiàn)能量存儲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，我們要一種電極材料，在要活潑的時候活潑，在要穩(wěn)定的時候穩(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，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，也帶來了嚴(yán)重的副用途，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數(shù)量級，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，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個相對優(yōu)解。當(dāng)然，這并不是唯一解，針對負(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。基于這些原則，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。