鋰離子電池

我們通常所說的手機電池和電動車的電池指的就是液態鋰離子電池，它可以進行充電。鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。還有一種以鋰制作的固態鋰金屬電池，它是常見的一次性酸性電池，不過現在一般都使用可充電的鋰離子電池。

從20世紀70年代開始，科學家致力于發現鋰作為電池材料的價值。通過最初的鋰電池不斷改良，1992年，日本索尼公司發明的可充電鋰離子電池被廣泛使用于手機電池當中。現在，電動交通工具、醫學設備、工程設備等大型電子設備也運用了鋰離子電池。并且具有綠色環保特點的鋰電池發展前景仍然十分良好。

那么鋰為什么能成為科學家們的心頭之愛呢?

無可挑剔的鋰元素

鋰是一種銀白色的金屬元素，是活躍的堿金屬元素家族中的一員。不過與其他堿金屬元素相比，鋰的原子半徑是最小的，所以它的硬度最大、熔點最高，是當下作為電池最好的金屬材料。

鋰位于元素周期表中的第3位，相對原子質量非常小，是世界上密度最小、質量最輕的金屬元素。例如我們的手機非常輕，原因之一是因為鋰離子電池的質量很輕;一輛電動汽車的鋰離子電池大約是600千克，比4000千克的相同容量的普通酸性電池輕了許多，所以輕盈的鋰離子電池成為了電動汽車的電池首選。

我們都知道，普通的酸性電池如鎳鎘電池和鎳氫電池都是有使用時長限制的，例如家里的電視遙控器中的電池需要定期更換，那是因為“電池記憶效應”的緣故。電池記憶效應指的是，如果電池使用時間過長，電池中的電解質會產生結晶，結晶部分的電解質就失去了作用，導致電池容量逐漸降低，最后電池無法正常使用。鋰離子電池沒有電池記憶效應，它的工作流程就是放電-充電這兩個簡單的過程。只要你需要充電的時候插上電源，電量足夠時后又可以繼續使用了。并且經過科學家們的不斷優化，鋰離子電池充滿電量的時間越來越短，閑置時消耗的電量也越來越少了。

許多金屬是有毒的，例如鉛、汞等，不過鋰對人體基本上是沒有危害的。實際上，大約在20世紀60年代的時候，醫學家會給躁郁癥患者服用碳酸鋰鹽，使他們的情緒穩定下來。可見鋰對人類來說是非常安全的。

進化——固態鋰電池

鋰離子電池也是有缺點的：由于鋰離子電池中含有易燃的液態電解質，有可能在使用過程中電解質泄露發生危險，所以鋰離子電池在出廠時必須要進過嚴格的包裝;鋰離子電池在長時間使用后也會發生容量變小的情況，并且因為容易發熱，可能會引起爆炸。

所以科學家們計劃研發新的電池來替代鋰離子電池。最近豐田汽車發動機公司宣稱將在2022年推出能長時間供能的全固態鋰電池代替以往的液態鋰離子電池，可以讓電動汽車最多行駛1000千米、手機不充電能使用一周。這一消息不禁讓人感慨，科技真的在不斷地改變我們的生活。

全固態鋰電池就是將原本鋰離子電池中的液態電解質和隔膜替換為固態電解質，使電池中的含有物全都變為固態，并將鋰作為電池的負極材料。

你可能會好奇，鋰金屬活性那么高，為什么鋰離子電池不用鋰作為負極材料呢?在1970年，美國科學家埃克森制成的鋰離子電池是以金屬鋰作為負極材料的，但是在使用過程中他發現了一些問題。我們知道在充電過程中，負極是輸出電流的，負極上的材料會得到電子發生還原反應。如果將鋰作為負極材料，鋰在電解質中發生還原反應會形成樹枝狀的金屬鋰單質——鋰枝晶，由于金屬鋰具有一定的硬度，尖銳的鋰枝晶如果生長過長的話，就有可能會刺破電池內部用于隔絕電解質的隔膜，電解質一旦泄露，整個電池將無法使用。所以之后鋰離子電池不再使用鋰作為負極材料。全固態鋰電池由于電解質是固態的，鋰枝晶受到阻礙就無法生長。并且科學家們計劃的是用鋰合金而不是鋰作為負極材料，所以這個難題是可以克服的。

全固態鋰電池具有以下優點：由于電池中的內容物全部為固態，具有高安全性和熱穩定性，并且不用像鋰離子電池一樣進行嚴格封裝，大大提高了生產線效率;電池之間還可以進行串聯，組成可以提供高電壓的單體電池，供大型工具使用。

全固態鋰電池還處于研發過程當中，科學家們正努力尋電極材料和固態電解質的最佳組合，這可是一個非常大的工程。全固態鋰電池如果能研發成功，那么我們的電動汽車不僅可以續航1000千米，而且還可以提高汽車的最高駕駛速度，說不定以后高速公路的加油站就會有電動汽車的充電站了。