鋰電池的工作原理是什么，它又具有什么優(yōu)勢

（文章來源：科學(xué)角度觀世界）

金屬在我們生活中非常常見，比如鐵、銅、鋁等等，金屬有一個性質(zhì)，就是非常容易被氧化，因此，它的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姟Ｎ覀円凿嚱饘贋槔?。鋰原子質(zhì)子數(shù)為3，因此，鋰原子中也就含有3個電子。

電子在核外的排布是有一定規(guī)律的，第一層只能排兩個，因此第二層只有一個。由于最外層的電子只有一個，因此這個電子很容易不穩(wěn)定，容易失去。我們知道電流的產(chǎn)生就是電流的定向流動，失去的這個電子如果通過導(dǎo)線流到另外一個電極，那不就能能夠產(chǎn)生電流，鋰離子電池正是運(yùn)用這個原理。

我們把電池稱為化學(xué)電源，它是一個能量轉(zhuǎn)換的裝置，放電時，電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；充電時則是將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存起來。當(dāng)電池的正、負(fù)極用電子導(dǎo)體連接上并加上負(fù)載時，電流就會在負(fù)載上通過。只要正負(fù)極參加反應(yīng)的物質(zhì)不斷進(jìn)行反應(yīng)，則電池不斷有電流輸出，直到反應(yīng)物質(zhì)反應(yīng)完畢為止。

我們以上面這個最簡單的電池模型進(jìn)行分析，電池的活性物質(zhì)是銅和鋅，在空間上是分隔開的，當(dāng)電路是斷開的時候，鋅電極和銅電極分別與硫酸鋅溶液、硫酸銅溶液相接觸。當(dāng)鋅電極與電解質(zhì)ZnSO4接觸時，金屬鋅會自發(fā)的失去兩個電子，于是變成鋅離子進(jìn)入溶液中，鋅電極上的Zn2+離子進(jìn)入溶液后，將電子留在金屬上，使鋅帶負(fù)電荷。帶負(fù)電后，它將吸引溶液中的正電荷，在鋅棒和溶液之間產(chǎn)生電位差，這個電位差阻止Zn2+繼續(xù)轉(zhuǎn)入溶液，同時促使Zn2+返回鋅極，于是形成這樣一個動態(tài)平衡。但總體上，鋅電極是帶負(fù)電的。

同樣的在銅電極，銅離子很容易得到電子，得到的電子正是從銅電極中獲得，因此銅這個電極會帶上正電，并且也存在動態(tài)平衡。

鋅電極帶負(fù)電，銅電極帶正電，因此在它們之間就會形成電勢差，也就形成了電壓，于是鋅電極這邊的電子就會流向銅電極，于是就產(chǎn)生了電流，有電子的流動后，兩邊的平衡狀態(tài)就會受到破壞，于是鋅會不斷失去電子而電離，銅離子會不斷得到電子。于是就有源源不斷的電流。一個電池就形成了。

當(dāng)電池進(jìn)行充電時，則整個過程相反。鋰電池的原理和這個近似，只是失去電子的是鋰金屬，那么，現(xiàn)代社會我們?yōu)槭裁从钟玫戒囯姵?，卻不同鋁電池或者鐵電池呢？這些金屬不是更加容易得到嗎，成本也就更加低。其實(shí)，主要是鋰電池相對于其它金屬制成的電池具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢。

鋰離子電池的優(yōu)勢：比能量高，鋰離子電池的能量與質(zhì)量之比可達(dá)到120~200Wh/kg，在目前的蓄電池中是最高的。由于金屬鋰是質(zhì)量非常輕，同樣的質(zhì)量下，所帶的電荷最多。放電電壓高，放電電壓一般在3.2V~4.2V以上。自放電低，在正常存放情況下，鋰離子電池的月自放電率僅為5%左右。

循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)，普通鋰二次電池在100%的放電深度下，充放電可達(dá)500次以上。如磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池為負(fù)極的電池循環(huán)壽命分別超過2000次和5000次。充電效率高，電池循環(huán)充放電過程中能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上。

大家或許覺得鋰離子電池似乎近些年來一直沒什么發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)在制約鋰離子電池高性能的因素主要是儲鋰材料和電解質(zhì)材料的開發(fā)與應(yīng)用?，F(xiàn)在研究特別多的石墨烯電池就是利用石墨的層狀結(jié)構(gòu)，將鋰離子嵌入石墨層中，可以大大增多電池的容量，并且由于石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性，提高了電池的充放電效率。
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