一個視頻明白鋰離子電池的原理，以及什麼是固態電池？

這是一輛電動汽車的電池出現爆燃的樣子 能量大速度快 甚至乘客都來不及自救 那鋰離子電池究竟是如何工作的 又到底安不安全呢 其實早在上世紀80年代以前 市面上的可充電電池能量密度極低 不僅又大又重 而且充一次電連點亮一個40瓦的燈泡一小時都做不到 也就在那時 科學家就開始研究如何用鋰作爲電池材料 因爲鋰是整個元素週期表中電化學活性最高 質量最輕和化合價穩定的金屬元素 簡直是製造高能量密度電池的天選最佳材料 最初實驗時 科學家想的很簡單 直接將純鋰金屬作爲負極 將能接收正離子的二流化態作爲正極 然後放入有機電解液中 當你閉合電路時 負極的鋰原子會釋放出電子 那些電子通過外部電路流向正極 產生電流爲設備供電 與此同時 鋰離子被釋放到電解質中 然後通過隔膜 這是一層超薄的微孔膜 只允許較小的鋰離子通過 阻止電子通過以及極片直接接觸造成短路 隨後 鋰離子在遷移到正極的層級材料中 而且這個過程是可逆的 充電時 電子則從正極材料中再被拉回到負極 鋰離子也從正極重新回到負極形成金屬裏 這就是鋰離子電池的初代模型 但隨後出現了一個致命問題 科學家發現電池在長期充放電過程中 鋰離子並不會均勻的嵌在電極上 而是直接堆在表面 並逐漸長出一種針狀結構 也就是所謂的鋰質晶 這種質晶一旦刺穿隔膜就會導致短路 而且有機電解液也非常容易揮發和燃燒 從而瞬間產生大量熱量引發爆燃 這種電池是沒有辦法大規模商業化的 但經過萬般曲折後 科學家最終找到了可行的方案 他們將正極材料替換成一種具有可逆嵌離能力的金屬氧化物或磷酸鹽晶體 把鋰離子預先嵌在正極中 這樣負極就不需要使用金屬鋰了 而負極則替換成了石墨 石墨其實是一種層狀結構材料 每一層碳原子像蜂窩一樣排成網 層與層之間是非常弱的泛得華麗 有天然的間隙 層狀晶體擁有大量穩定的嵌離位 有着可逆容納鋰離子的能力 這就像在正負極都給鋰離子設置了一個貨架 充電時 鋰離子從正極的貨架跑出來 穿過電解液和隔膜 再到負極的貨架上安架 放電時 鋰離子再從負極貨架回到正極貨架 電子則從負極經外部電路驅動電機再流到正極 這樣雖然犧牲了一部分能量密度 但安全性和壽命都提升了很多 鋰離子電池也得以大規模商業化 不過 哪怕到了今天 鋰離子電池本身仍然不是完美的 首先 第一次充電時 鋰離子會和電解液在石墨表面發生反應 形成一種固態保護層 它會鎖住部分鋰離子 導致電池容量在第一次充電時就會下降5%左右 其次 鋰離子電池仍然沒有擺脫理智經的威脅 目前汽車的動力電池主要有兩種 一個是三元鋰電池 再一個就是磷酸鐵鋰電池 三元鋰電池就是正極材料 有三種金屬元素和鋰組成 它的能量密度高 續航長 但是熱穩定性差 一旦失控 釋放的能量更多 火勢非常迅猛 而且三元鋰電池因爲通常配備高倍率快充和它的高能量密度 所以發生理智經的風險也更高 而很多高端車型追求續航長 性能強 所以高涅三元電池成了首選 但其實犧牲了安全餘量 還有就是磷酸鐵鋰電池 它的正極是磷酸鐵鋰 相對於三元鋰電池 它的熱穩定性好 安全性高 循環壽命也較長 但能量密度低 續航短 發生理智經的風險依然在 除此之外 高速事故時電池包底部寡蹭或壓到尖銳物體 同樣會造成電池的爆燃 威脅着乘車安全 那有沒有一種既安全又能量密度高的電池呢 目前主要的一個研究方向就是全固態鋰電池 固態電池就是用固體材料代替傳統液態有機電解液的電池 固體材料不易燃 而且固態電解質的機械強度高 可以物理阻擋理智經的刺穿 這樣的話就可以重新啓用金屬鋰做負極 大大提高能量密度 體積也更小還能實現更快充電 但理想很豐滿 現實很骨感 固態電池的研發面臨有諸多問題無法解決 比如固體與固體接觸面積不足 導致界面阻抗大影響離子傳輸 還有高質密度固態電解質製造工藝複雜 生產成本高等等 所以距離大規模商業化仍需數年的時間 也許到那時候才真正是新能源爆發的時候吧