两块面饼里夹肉是全世界文明配合喜好的美食。在中国发现的叫肉夹馍，在英国发现的叫三明治，在美国发现的叫汉堡，化学家发现的叫锂离子电池。本文来自微信公家号：返朴（ID：fanpu2019），作者：李存璞（重庆大学化学

两块面饼里夹肉是全世界文明配合喜好的美食。在中国发现的叫肉夹馍，在英国发现的叫三明治，在美国发现的叫汉堡，化学家发现的叫锂离子电池。本文来自微信公家号：返朴（ID：fanpu2019），作者：李存璞（重庆大学化学化工学院副传授），题图来自：视觉中国

1973年，英国化学家Whittingham用具有层状布局的二硫化钛作为正极，搭配锂金属作为负极组装成电池，拉开了今世锂电池成长的大幕。现代的锂离子电池的遍及商用还得益于吉野彰（Akira Yoshino）将石墨层状质料应用于负极。2019年诺贝尔化学奖授予的三位科学家：Whittingham，Goodenough和Akira Yoshino，获奖的直接原因就是他们发现的种种层状、尖晶石状等正负极质料，有效敦促了锂离子电池的乐成。

图1 负极利用石油焦等碳质料，正极利用金属盐等层状质料，中间为锂离子电解质与隔阂，是今朝锂离子电池的主要形态[1]

如今的锂离子电池均回收肉夹馍布局：即正极、负极雷同被切开的两片馍，中间夹的“肉”则是导通锂离子的电解质与阻隔电子的隔阂。锂离子电池所能储存的能量，主要由正极质料、负极质料可以或许储存的锂离子的数量来抉择。

如图1所示，负极今朝主要利用石油焦等层状碳质料，正极则利用层状金属盐质料，锂离子需要嵌入到层状质料傍边举办储存，作为层状支撑的物质会占据电池中大量的质量与体积，造成电池能量密度低。可以将锂离子想象成一栋大楼中的打工人，钢筋混凝土骨架则雷同正极/负极中的层状支撑质料，尽量钢筋混凝土占据了整个大楼绝大部门的空间与重量，但真正可以或许为公司做孝敬的是那些眇小的打工人。并且，每个打工人占据的空间越大，意味着大楼能装的人越少，假如每个打工人效率沟通，那公司整体收益率就越低。

一、锂离子电池正极质料：安详—本钱—容量的抵牾体

锂离子电池虽好，但此刻它有限的容量和迟缓的充电速度，已经与人民群众日益增长的电池容量和功率需求发生了抵牾。今朝主流的锂离子电池能量密度约为300 Wh/kg，即3.3公斤的锂离子电池才气够携带一度电。与之相对的，汽油的能量密度约为13000 Wh/kg，是锂离子电池的40多倍，纵然思量汽车内燃机不到40%的热效率，今朝电动车在续航方面仍较燃油汽车有较大差距。

降本钱、增安详、升容量，是连年来正极质料贸易化成长的主要方针。如前所述，正极质料可以被视作一栋装了锂离子的大楼，只有锂离子可以起到储存能量的浸染，而层状的框架质料仅提供支撑浸染。因此，从低落本钱的角度来思量，一方面可以将昂贵的层状框架用低本钱质料替代，如同把纯大理石屋子改为用混凝土搭建；另一方面，则可以思量在单元体积的质料中安放更多的锂离子，如同把原有的独立办公室改为格子间。

在正极原料中，钴的价值较高而容量较低，因此基于本钱较低、容量较大的锰、镍氧化物的正极质料被逐渐开拓。如消费者耳熟能详的三元正极质料（NCM），就是一类镍、钴、锰氧化物配合构成的锂盐（LiNi1-x-yCoxMnyO2），实现了在低本钱框架下填充更多锂离子的结果。但三元电极质料连年来变乱频发，安详性问题一直为人诟病，原因在于镍容易在电池充电时发生化合价变革，从而析出氧原子，强氧化性的氧原子与有机电解液猛烈回响引起电池燃烧/爆炸。（锂电池爆炸原因拜见《电动汽车因何爆炸？揭开锂电池“王炸”的奥秘》）

而假如从安详性为首要出发点，今朝最为成熟靠得住正极质料是磷酸铁锂。磷酸铁锂改变了原有大厦的大平层布局，改为回收非凡的橄榄石布局。橄榄石布局可以类比为在大平层中特别增加布局支撑，从而把锂离子安排于一个个独立的“单间”中。由于每个单间周围都有充实的支撑，担保了电池在利用中不易产生楼层坍塌现象，大大晋升了电池安详性。但随之带来的困扰是，由于锂离子“躺平”了，居住情况过于“舒适”，锂离子的嵌入—脱出进程阻力大，电池功率较小。尤其是在低温情况下，锂收支速度极慢，电池容量甚至大概衰减至不到50%，在严寒地域利用极不友好。另外，单间布局进一步低落了电池的能量密度，磷酸铁框架的（FePO4）分子量为150.8 g/mol，锂离子仅为7 g/mol，即磷酸铁锂中仅有4%的重量是可觉得电池提供容量的锂离子，大部门的重量被支撑浸染的磷酸铁所占用。