出品：科普中国
制作：王一丰（中科院青岛生物能源与过程研究所先进电池正极材料研究组）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近年来清洁能源汽车发展迅速 ， 以特斯拉为首的电动汽车企业推出了多款科技感十足的电动汽车 。 通过不断的技术革新 ， 电动汽车性能得到了极大的提升 ， 电动汽车也从概念产品逐渐进入人们的生活 。
电动汽车（图片来源：Veer图库）
电动汽车符合科技进步和时代发展的潮流 ， 被越来越多的人们喜爱和接受 。 然而目前电动汽车与燃油汽车相比 ， 还存在着续航里程短 ， 充电速度慢 ， 成本高等问题 。 解决问题的关键在于电动汽车的“油箱”——动力电池 ， 可以说动力电池决定了电动汽车的生命力和竞争力 。 目前 ， 作为能源储存体系之一的锂离子电池主导了动力电池的发展 ， 这是因为其具有高电压、高能量密度、长寿命和安全性较好的优点 。
什么是锂离子电池呢？
锂离子电池是一种可反复充放电的二次电池 。 他的主要组成部分有：正极、负极、隔膜和电解液 。 如下图所示 ， 充电时锂离子从正极脱出 ， 经过电解质进入到负极 ， 同时释放的电子从外部电路转移至负极 ， 维持电荷平衡；放电时锂离子从负极脱出 ， 经过电解质进入正极 ， 而电子从负极经外部电路到达正极 。 在每一次充放电循环过程中 ， 锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体 ， 周而复始的从正极→负极→正极来回的移动 ， 与正、负极材料发生反应 ， 将化学能和电能相互转换 ， 实现了电荷的转移 ， 这就是锂离子电池的基本原理 。
锂离子电池工作原理图 （图片来源：John B. Goodenough ， 2013）
容易“激动”的正负电极
锂离子电池能将电能和化学能相互转换进而实现能量的存储和释放 ， 条件之一是正负极的材料要活泼 ， 要容易氧化和还原 ， 要很“容易”参与化学反应从而实现能量转换 。 其二是需要存在有电位差的正负极材料来实现电荷移动 。 经过长期的研究和探索 ， 人们找到了几种锂的金属氧化物 ， 如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料 ， 作为电池正极活性物质 。
负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质 ， 也是遵循上述的原则 ， 既要求是好的能量载体 ， 又要相对稳定 ， 还要有相对丰富的储量 ， 便于大规模制造 ， 碳元素就是一个相对优化的选择 。
“放电”也需分场合
如上所述 ， 锂离子通过电解质流动 ， 而反应产生的电子通过外部电路做功 。 因此 ， 电池系统必须保证锂离子和电子的流动 ， 也就是说 ， 它必须是一个好的离子导体和一个电子导体 。 许多电化学活性材料都不是良好的电子导体 ， 因此需要添加一些导电材料 ， 如炭黑 。 为了将电极材料和导电剂固定在一起 ， 还需要添加一些粘合剂 。 在这种情况下 ， 电化学反应只能发生在活性物质、导电剂和电解质相遇的地方 。
虽然锂离子流经电解质 ， 但正极和负极必须在物理上分开 。 为了防止短路造成能量的剧烈释放 ， 就需要用一种材料将正负极“隔离”开来 。 这要求材料具有良好的离子通过性 ， 能给锂离子开放通道 ， 让其可以自由通过 ， 同时又是电子的绝缘体 ， 以实现正负极之间的绝缘 。 目前的锂离子电池使用的是聚乙烯（polyethylene ， PE）、聚丙烯（polypropylene ， PP）制备成的多孔隔膜 。
电动汽车提升续航能力的瓶颈在哪？
对于手机、笔记本等电子设备来说 ， 能量存储是关键 。 储存的电量越多越好 ， 操作时间越久越好 。 而对于一些更大方面的应用 ， 如电动汽车中的电池 ， 除了对电池的能量密度有要求之外 ， 功率同样重要 。 材料必须能够快速提供电量以驱动汽车 ， 并在电量耗尽时能够进行快速地充电 。
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