【導(dǎo)讀】鋰離子電池不僅被用作為電腦、智能手機(jī)的充電式電池，也被廣泛用于我們生活中的電器產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、尖端科技等各個(gè)領(lǐng)域。為何會(huì)被眾多產(chǎn)品所采用？它給我們的生活帶來(lái)了哪些變化？以及今后的發(fā)展趨勢(shì)，讓我們基于專(zhuān)家的見(jiàn)解來(lái)了解一下吧～
在本系列中，我們就鋰離子電池的特點(diǎn)、使用場(chǎng)景、歷史以及今后的可能性等，在東京工業(yè)大學(xué)特命教授菅野了次先生的監(jiān)修下，分五講做一個(gè)全面介紹。
監(jiān)修人：菅野了次
東京工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院 特命教授（名譽(yù)教授）
菅野了次先生于1980年大阪大學(xué)研究生院理學(xué)研究科無(wú)機(jī)及物理化學(xué)專(zhuān)業(yè)課程結(jié)業(yè)。1985年成為理學(xué)博士。任神戶(hù)大學(xué)理學(xué)部副教授后，2001年任東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究科教授，2016年任該大學(xué)物質(zhì)理工學(xué)院教授，2018年任該大學(xué)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院教授、全固態(tài)電池研究組組長(zhǎng)，2021年任該科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院特命教授、全固態(tài)電池研究中心主任。
1. 什么是鋰離子電池？
鋰離子電池是裝在我們?nèi)粘Ｋ玫闹悄苁謾C(jī)和筆記本電腦等設(shè)備里的充電式電池。電池的原型發(fā)明于18世紀(jì)末，其后經(jīng)過(guò)二百多年的歲月發(fā)展至今。鋰離子電池是在電池發(fā)展過(guò)程中誕生的現(xiàn)在最新型電池之一。
圓柱形鋰離子電池
疊層形鋰離子電池
鋰離子電池的特點(diǎn)：
電池分為只能用一次的干電池“一次電池”和能多次充電使用的電池“二次電池”。鋰離子電池是能夠充電的二次電池，與其他類(lèi)型的電池相比，不僅能小型輕量化，而且能儲(chǔ)存的電能高。
2. 鋰離子電池產(chǎn)生電的工作原理
除了鋰離子電池之外，電池還有其他各種類(lèi)型，實(shí)際上電池產(chǎn)生電的基本工作原理都相同。
電池里有使用金屬材料的正電極（正極）和負(fù)電極（負(fù)極），借由離子而導(dǎo)電的物質(zhì)（電解質(zhì)）充滿(mǎn)在正負(fù)極之間。金屬電極被電解質(zhì)熔化，分為離子和電子，電子從負(fù)極向正極移動(dòng)產(chǎn)生電流，這時(shí)便產(chǎn)生電。二次電池是在開(kāi)始使用電池之前通過(guò)充電，預(yù)先將電子儲(chǔ)蓄在負(fù)極，使用電池時(shí)儲(chǔ)蓄的電子向正極移動(dòng)從而產(chǎn)生電。
鋰離子電池是預(yù)先在正極使用含鋰金屬化合物，負(fù)極使用能吸儲(chǔ)鋰的碳(石墨)。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，無(wú)須如傳統(tǒng)電池一般由電解質(zhì)熔化電極就能發(fā)電，從而減緩了電池本身的老化，不僅能儲(chǔ)蓄更多的電，充放電的次數(shù)也得以增加。此外，鋰是非常小而輕的物質(zhì)，從而能使電池具有小型輕量化等各種優(yōu)點(diǎn)。
鋰離子電池產(chǎn)生電流的工作原理
3. 鋰離子電池也有不同的種類(lèi)嗎？
根據(jù)正極所用的金屬材料的不同，鋰離子電池分為幾個(gè)種類(lèi)。最初鋰離子電池的正極所用的金屬材料是鈷。不過(guò)鈷的產(chǎn)量幾乎與鋰同樣少，也是稀有金屬，制造成本高。因此開(kāi)始使用廉價(jià)且環(huán)境負(fù)荷小的材料，例如錳、鎳、鐵等金屬。鋰離子電池按其所使用的材料而分類(lèi)。
鋰離子電池的種類(lèi)和特點(diǎn)
下面來(lái)看看各種類(lèi)分別都有哪些特點(diǎn)。
鈷系鋰離子電池
正極使用鈷酸鋰。鈷酸鋰比較容易合成，便于使用，因而鋰離子電池最早量產(chǎn)的是鈷酸鋰離子電池。但由于鈷是稀有金屬，價(jià)格昂貴，幾乎沒(méi)有被用于汽車(chē)零件。
錳系鋰離子電池
正極使用錳酸鋰。優(yōu)點(diǎn)是電壓能與鈷系鋰離子電池差不多，而且制造成本廉價(jià)。缺點(diǎn)是充放電中錳可能會(huì)熔化于電解質(zhì)，縮短電池的壽命。
磷酸鐵系鋰離子電池
正極使用磷酸鐵鋰。磷酸鐵系鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)在于即使內(nèi)部發(fā)熱結(jié)構(gòu)也難以損壞，安全性高，而且以鐵為原料，制造成本比錳系更低。但是電壓比其他的鋰離子電池低。
三元系鋰離子電池
三元系鋰離子電池是為了減少鈷的用量，使用鈷、鎳、錳三種材料制造的電池?，F(xiàn)在三元系鋰離子電池大多鎳的比例較高。雖然電壓比鈷系、錳系略低，但能減少制造成本。不過(guò)雖說(shuō)如此，各個(gè)材料的合成制備較難，穩(wěn)定性低等，作為實(shí)用材料尚存在有待解決的課題。
4. 鉛蓄電池與鋰離子電池的區(qū)別是什么？
除鋰離子電池之外，還有幾種能充電的電池。其中鉛蓄電池是一百多年前就使用的歷史悠久的電池，在鋰離子電池等新型電池開(kāi)發(fā)問(wèn)世的現(xiàn)今，依然還繼續(xù)用作汽車(chē)的蓄電池。
鉛蓄電池與鋰離子電池的區(qū)別
鉛蓄電池的正負(fù)極材料都使用鉛，因而與鋰離子電池相比，制造成本非常廉價(jià)。但由于鉛比其他金屬重，因此蓄電池自身也就重。此外電壓最高只能到2V，自放電大也是鉛蓄電池的缺點(diǎn)。
現(xiàn)在依然使用鉛蓄電池的原因
雖然鉛蓄電池有著這些缺點(diǎn)，但汽車(chē)的蓄電池沒(méi)有換成鋰離子電池等高性能二次電池的原因還是在于它的廉價(jià)，以及技術(shù)基本成熟，可靠性高。汽車(chē)充分利用鉛蓄電池的特性，確立了再循環(huán)系統(tǒng)。如果換成新型電池，需要修改電路設(shè)計(jì)，基于目前鉛蓄電池仍足以能發(fā)揮作用的狀況，廠(chǎng)家也不想格外多付出成本。
鉛蓄電池與鋰離子電池的比較
雖說(shuō)如此，鋰離子電池已被用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)、電油混合動(dòng)力車(chē)等的發(fā)動(dòng)機(jī)的二次電池，說(shuō)不定未來(lái)汽車(chē)也會(huì)不使用鉛蓄電池了。
5. 鋰離子電池被用于哪些領(lǐng)域？
1990年代上半葉首款商品化的家電用鋰離子電池被用于攝像機(jī)以滿(mǎn)足其小型輕量化的需求。其后接連不斷地被用于當(dāng)時(shí)迅速普及的手機(jī)，市場(chǎng)需求瞬間高漲。
如今鋰離子電池已被廣泛用于我們生活中的各個(gè)場(chǎng)景，諸如智能手機(jī)、筆記本電腦，以及電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域。
6. 鋰離子電池的安全性如何？
其實(shí)電池可以說(shuō)是能源罐頭。能以每單位體積大密度儲(chǔ)能的鋰離子電池比其他種類(lèi)的電池更需要考慮到安全性。而且從使用具有可燃性的有機(jī)溶劑這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在操作使用上也需要比使用水溶液的其他電池更加小心謹(jǐn)慎。
最應(yīng)該避免的是內(nèi)部短路問(wèn)題。內(nèi)部短路指外部施力造成電池變形，正極與負(fù)極直接接觸的狀態(tài)。電流集中于此，導(dǎo)致溫度升高，電池起火之類(lèi)的嚴(yán)重事故。即便是極小的雜質(zhì)，一旦混入電池內(nèi)部，就可能會(huì)造成內(nèi)部短路，這就需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使電池內(nèi)無(wú)多余的電流流動(dòng)，讓電池具備防事故功能。
其他還有使用冷卻裝置等手段，將電池的工作環(huán)境保持在60℃以下，控制電池的溫度也很重要。在正負(fù)極之間設(shè)置隔膜，如果超過(guò)一定的溫度，隔膜在正負(fù)極之間起到完全阻隔的作用等等，動(dòng)腦筋用各種方法提高安全性。
如本講所述，與以前的二次電池相比，小型輕量且高性能的鋰離子電池似乎今后仍會(huì)被用于我們生活中的各個(gè)場(chǎng)景。
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