鋰電池作為可充電池,可以重復(fù)多次使用。它的應(yīng)用非常廣泛,如我們?nèi)粘I钪械氖謾C(jī)內(nèi)部電池、充電寶、電動(dòng)車電池等。
那么,鋰電池地如何充放電的呢?在回答這個(gè)問題之前,我們有必要先了解鋰電池的結(jié)構(gòu)以及鋰的一些特性。
鋰電池只要由三部分組成,如下圖1-1所示,分別涂覆石墨的銅箔、涂覆鋰化合物的鋁箔和含有鋰的有機(jī)鹽的電解質(zhì)。而鋰電池的充放電其實(shí)就是鋰離子與自由電子的往復(fù)移動(dòng)。
不同金屬有不同的電化學(xué)勢,所謂電化學(xué)勢,簡單來說,就是金屬失去電子的趨勢,如下圖1-2所示給出的一些常見金屬的電化學(xué)勢,其中最容易失去電子的鋰被用于鋰離子電池。
顯然,鋰失去電子的傾向最高,而氟失去電子的傾向最小。這是因?yàn)殇嚨淖钔鈱又挥幸粋(gè)電子,非常容易失去;而氟最外層有8個(gè)電子,非常穩(wěn)定(原子的最外層最多只能有8個(gè)電子,1個(gè)時(shí)最活躍,8個(gè)時(shí)最穩(wěn)定)。
純鋰是一種高活性金屬,放到水里直接沸騰,但鋰的金屬氧化物非常穩(wěn)定,若我們以某種方式從這種金屬氧化物中分離出一個(gè)鋰原子,這個(gè)鋰原子極不穩(wěn)定,會(huì)瞬間形成一個(gè)鋰離子和一個(gè)電子,如下圖1-3所示。
然而,正如上文所說,鋰作為金屬氧化物的一部分,處于金屬氧化物中比處于這種鋰原子游離的狀態(tài)要穩(wěn)定得多。所以,如果能為鋰和金屬氧化物之間的電子和鋰離子流動(dòng)提供兩條不同的路徑,鋰原子會(huì)自動(dòng)跑到金屬氧化物部分,這個(gè)電子的路徑就是外電路。
換言之,就像人一樣,相對(duì)于漂泊不定的日子,我們都喜歡穩(wěn)定的生活,鋰也是同理,若能夠依附其金屬氧化物達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài),它必是不喜歡以鋰離子和電子的狀態(tài)存在的。所以我們用電場力把鋰從金屬氧化物中提出來,然后又給它的離子和電子提供不同路徑(撤去外電場),如下圖1-4所示,它就會(huì)順勢回到氧化物中。
實(shí)際的鋰離子電池含有電解質(zhì)和石墨,如下圖1-5所示。其中石墨具有層狀結(jié)構(gòu),因此分離的鋰離子可以很容易地儲(chǔ)存在那里。石墨和金屬氧化物之間的電解質(zhì)起到保護(hù)作用,它只允許鋰離子通過,不允許電子通過。
當(dāng)外加電源(電場)時(shí),由于異性相吸,電源的正極顯然會(huì)從金屬氧化物的鋰原子中吸引電子,并推動(dòng)這些電子沿外部電路流通,并到達(dá)石墨層。注意,這些電子不能流過電解質(zhì)。
同時(shí),帶正電的鋰離子也會(huì)被吸引到負(fù)極,并流過電解質(zhì),到達(dá)石墨層。此時(shí)石墨層就含有大量的鋰離子和電子。其中這些離子和電子就是鋰原子,但因?yàn)殇囋硬环(wěn)定,所以就以鋰離子和電子的形式存在。
一旦金屬氧化物中的所有鋰原子到達(dá)石墨層,電池就充滿電。
此時(shí),鋰原子的不穩(wěn)定狀態(tài)就像山頂?shù)男∏蛞粯樱坏┮瞥娫,并連接負(fù)載,鋰原子就會(huì)作為金屬氧化物的一部分恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于這種想要趨于穩(wěn)定的趨勢,電子鋰通過負(fù)載回到氧化物,而鋰離子穿過電解質(zhì)回到氧化物,就像小球從山頂滑下來一樣,最后鋰離子和電子結(jié)合形成鋰原子固定在其金屬氧化物中。
整個(gè)過程如圖1-7所示,注意,石墨在鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)中沒有發(fā)揮作用,它只是鋰離子的存儲(chǔ)介質(zhì)。
如果由于某些異常情況導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高,電解質(zhì)干涸,此時(shí)鋰離子和電子全部沿同一路徑跑向氧化物,相當(dāng)于陽極和陰極之間發(fā)生短路,這可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。
為了避免以上這種情況,在電極之間放置了一層絕緣層,如下圖1-8所示,稱為隔板。由于其微孔,隔膜可滲透鋰離子,但電子不能通過.
在實(shí)際鋰電池中,石墨和金屬氧化物分別涂覆在銅箔和鋁箔上,箔在這里充當(dāng)集電器,并且可以很容易地從集電極中取出正極片和負(fù)極片,如下圖1-9所示。其中銅箔引出負(fù)極,鋁箔引出正極。
鋰的有機(jī)鹽用作電解質(zhì),并將其涂覆在隔板片上,所有這三塊板都圍繞一個(gè)中央鋼芯纏繞在圓柱體上,從而使鋰電池更加緊湊。標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的電壓在3-4.2伏之間。
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