|
Goodenough老先生在陪跑了数年诺奖之后，最终在今年得到了诺贝尔化学奖（然而诺贝尔文学奖村上春树今年继续陪跑，心疼他一秒）。关于锂离子电池为何能够得诺奖，能够瞧瞧诺贝尔化学奖评选委员会的官方诠释——她们研制出了世界上最强的电池（安心，已然贴心地翻译成中文了）。
村上春树
Goodenough老先生得诺奖的呼声始终很大，今年美国化学会（ACS）邀请化学家们进行了一场网络直播，预测今年的诺贝尔化学奖，锂离子电池和CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat）得票最高[1]（因此博主这里奶一口CRISPR，没准明年就得奖了呢）。
CRISPR的可能机制示意图 | 源自：Wikipedia
锂离子电池得诺奖确实是众望所归。锂离子电池此刻已然深入到了生活中的方方面面，它让电子设备更加轻量、续航更加持久，例如你此刻能用手机刷这篇文案就离不开锂离子电池。
锂离子电池原理 [2]
咱们此刻的生活已然离不开锂离子电池，大众对它的原理、历史之类的都比较熟练了，那样博主今天就剑走偏锋，来给大众聊一聊锂离子电池少为人知的一面。
锂电池？锂离子电池！
可能有小可爱已然重视到了，博主说的始终都是“锂离子电池”，但平时大众可能有听到过锂电池、锂离子电池、锂聚合物电池等各样各样的名词，被这些名词搞的七荤八素的。博主下面就来给大众捋一捋。
锂电池的概念其实很混乱，无一个很统一的说法，姑且看一下国标（其实是举荐性国家标准）里面是怎么说的吧。《电工术语 原电池和蓄电池》（GB/T 2900.41-2008）中把锂电池定义为“含非水电解质，负极为锂或含锂的电池”，能够是原电池亦能够是蓄电池。这个范围就很宽泛了，只要负极含锂，电解质是非水的就行。平时更加多的是把负极是金属锂的一次电池叫做锂电池，亦叫锂原电池，是不可充电的，表率性的有锂-二氧化锰电池、锂-氟化碳电池、锂-亚硫酰氯电池。
锂原电池
锂离子电池则是为了与锂电池相区别而发明出来的一个词语。前Sony高级执行副总裁兼首席技术官西美绪（Yoshio Nishi）解释说[2]，负极的锂碳化合物中的“锂”是以离子的形式存在的，而正极的LiCoO2是离子化合物，锂亦是以离子形式存在的，电池中无金属锂的存在，因此呢叫做“锂离子电池”，得了诺奖的便是它。显然，锂离子电池是可充电电池。 
西美绪（对锂离子电池的产业化做出了很大贡献） 
满电态的负极，金色的是LiC6，锂并无以金属单质的形式存在（将锂离子电池充好电后拆解，图中是在手套箱中操作，千万别自己拆解充好电的锂离子电池，LiC6在空气中会自燃，亦最好别自己更换手机电池，有可能操作欠妥把电池划破了，搞欠好会起火热炸）
说到锂离子电池，还有个人亦不得不提一下，那便是法国专家米歇尔·阿曼德（Michel Armand），他在1972年提出了插层化合物和“摇椅电池（rocking chair batteries）” 的概念，正负极采用插层化合物，将锂离子在正负极之间的穿梭形象地比作摇椅的摇动。
Michel Armand
当你以后听到有人说锂电池得了诺奖，或说手机上用的是锂电池的时候，就能够礼貌而不失微笑地指出：那不是锂电池，是锂离子电池（lithium-ion batteries）。装B之后飘然而去，深藏功与名。
至于锂聚合物电池，其实便是锂离子电池，亦叫聚合物锂离子电池。和传统的锂离子电池相比，不同样的地区在于它的外壳是铝塑膜，而后就没啥大的差别了。换个壳就能够改个高挑上的名字，真让人头冷。所说铝塑膜，便是两层聚丙烯之间夹着一层铝箔，铝箔是用来防止空气中的水透过聚丙烯进入电池内部的，用铝塑膜做外壳的好处便是能够减轻电池的重量。
聚合物锂离子电池（亦叫软包电池），外壳便是铝塑膜
还有种“凝胶聚合物锂离子电池”，它用的电解质比较特殊，像通常的锂离子电池用的电解液是液态的，而它用的是凝胶态的，就像果冻同样。
锂离子电池的容量与能量
此刻的手机屏幕越来越大，相应的耗电量亦增多了。因此，手机电池的容量亦就成为了一个很重要的选购指标，毕竟谁亦不想用着手机的同期还拖着长长的充电线吧。
真香警告
此刻衡量手机电池容量的单位是mAh，高中知识告诉咱们，这是电量的单位，还需要乘上个电压才是能量的单位。
电池容量计算办法：
电池能量计算办法： 
等等，手机消耗的明明是能量，怎么用个电量的单位来衡量它？！这其实是由于在手机这类便携式电子设备中，为了减小电池的体积，锂离子电池的正极运用的都是钴酸锂，这种正极材料拥有很高的压实密度。正由于手机电池的正极用的都是同一种材料，因此电池的电压都比较接近（理论上是3.7V，这个详细和区别电池生产商的工艺相关），再加上手机里面常常仅有一起单体电池（请忽略近期某手机厂出的某款手机，里面有两块2000mAh的电池），只用容量其实就能够衡量电池储存能量的体积。
然则电脑上的电池却会同期标注电池的容量（电量）和能量。这是由于，电脑中不仅有一起单体电池啊，里面有非常多块电池串并联，形成为了电池组，就不可用电池的容量来衡量了。高中知识告诉咱们：同一型号的电池，电池并联后，电池组的电压不变，但会增多电池组的容量；电池串联，电池组的容量不变，然则会增多电池组的电压。
电池并联 | 源自：esigara.eu 
电池串联 | 源自：batteryuniversity.com
此刻就以博主手头上的这台笔记本电脑为例，它的规格参数上写着“57.4Wh/7565mAh@7.6V（典型容量）”，这就说明，这是由于四块容量为3782.5mAh，电压为3.8V锂离子电池串联形成的电池组，7565mAh×7.6V=57.494Wh。那样为何不是由于两块7565mAh的电池串联呢？嘿嘿，7565mAh的电池容量太大了，对生产的需求比较高；其次3782.5mAh的电池其实便是手机上用的电池，对工厂来讲，只要一条生产线就能够同期生产手机、电脑用的电池，这般能够减少成本。
而后博主去看了另一台笔记本电脑的电池规格参数，见下图。 
乍一看，这块电池的容量就比手机电池大一点，怎么能给笔记本电脑用？然则看一下它的电压就恍然大悟。这是由于6块容量为2200mAh，电压为3.6V的电池串联而成的，亦便是传说中的6芯锂离子电池（里面有6个单体电池）。从这根电池的形状（长长的）和2200mAh的容量能够看出，这是18650电池（便是电池直径为18mm，高度为65mm的圆柱电池）。
因此，衡量电池的续航能力，还是看能量比较可靠，自己动手算一算。
锂离子电池运用指北
博主曾经听有人说过，刚买回来的手机前几次运用的时候，要先充满电，再把电量耗尽，反复几次，这般才可将电池激活，电池的寿命会更长。
当听到这个说法的时候，博主我顿时就在风中凌乱了。这哪是让锂离子电池电池长寿，分明是让锂离子电池短命啊。倘若把时间倒退个二十年，这个说法是无很大问题的。由于那是运用的还是镍氢电池，它有所说的“记忆效应”，便是电池放久了之后镍极板上的晶体会变得粗大，影响和电解液的接触，引起容量下降[3]。进行几次完全的充放电能让晶粒细化，让容量部分恢复，这便是所说的“激活”。 
镍氢电池 | 源自：Wikipedia
而此刻手机早已然用上了锂离子电池。前面已然说了，锂离子电池是基于锂离子在插层化合物中嵌入脱出，并不存在着什么“记忆效应”。因此刚买来的手机，直接用就行。
又有人问，锂离子电池的循环寿命仅有500次上下，那样要怎么样才可让锂离子电池寿命延长？
锂离子电池的循环寿命通常是定义为：锂离子电池进行深度充放电时，其容量能保持在80%以上的循环次数。从这儿能够看出两个关键词：深度充放电和80%。深度充放电容易破坏锂离子电池中的微观结构，使得容量降低。然则咱们的手机有守护机制，是没法对电池进行深度充放电的，那得要用电池厂的专门设备才行；其次，锂离子电池的容量在80%以下并不是说它不可用，只是会让用户觉得电池不耐用了。
倘若锂离子电池在工厂测试时的寿命有500次，那样咱们平时运用的寿命肯定是要大于500次的。因为咱们平时正常运用做不到对电池深度充放电，电池容量衰减没那样厉害。至于怎样让锂离子电池更长寿，咱们所能做的便是别对电池深度充放电（当然更要避免过度充电，过度放电），亦便是要对锂离子电池浅充浅放：没充满电就用，没放完电就充。但这般子做实在是影响玩手机的乐趣啊，因此有个更折衷的方法：手机充满电后再运用，还剩20%的电的时候就充电，别等到手机自动关机了才去充电。为啥是20%？由于博主的手机在20%电量时会进入省电模式，博主有强迫症，此时会迫不及待给手机充电。 
手机电量恐惧症
其实咱们哪些不良运用习惯工程师早就思虑到了，不消自己瞎操心（真·我比工程师聪明系列），手机电池正常运用两三年还是扛得住的，两三年到了，手机其实亦差不多该换了。
参考资料
[1] https://cen.acs.org/people/nobel ... stry/97/web/2019/10
[2] Nishi Y. The development of lithium ion secondary batteries[J]. Chemical Record, 2001, 1(1): 406-413.
[3] https://batteryuniversity.com/in ... memory_myth_or_fact
封面图来自系统之家
编辑：重光
| 
发表于 2024-11-3 14:22:07