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关于锂离子电池，你所不知道的一些事儿

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2019-11-06 07:00

正文

本文转载自中科院物理所

Goodenough 老先生 在陪跑了多年诺奖之后，终于在今年获得了诺贝尔化学奖（然而诺贝尔文学奖村上春树今年继续陪跑，心疼他一秒）。关于锂离子电池为什么可以得诺奖，可以看看 诺贝尔化学奖评选委员会 的官方解读—— 他们研制出了世界上最强的电池（放心，已经贴心地翻译成中文了）。

▲村上春树

Goodenough老先生得诺奖的呼声一直很大，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] （所以小编在此奶一口 CRISPR，没准明年就得奖了呢）。

▲CRISPR的可能机制示意图 | 来源：Wikipedia

锂离子电池得诺奖确实是众望所归。锂离子电池现在已经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，比如你现在能用手机刷这篇文章就离不开锂离子电池。

▲ 锂离子电池原理 [2]

我们现在的生活已经离不开锂离子电池，大家对它的原理、历史之类的都比较熟悉了，那么小编今天就剑走偏锋，来给大家聊一聊锂离子电池少为人知的一面。

锂电池？锂离子电池！

可能有小可爱已经注意到了，小编说的一直都是“ 锂离子电池 ”，但平时大家可能有听到过锂电池、锂离子电池、锂聚合物电池等各种各样的名词，被这些名词搞的七荤八素的。小编下面就来给大家捋一捋。

锂电池的概念其实很混乱，没有一个很统一的说法，姑且看一下国标（其实是推荐性国家标准）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 ”，可以是原电池也可以是蓄电池。这个范围就很宽泛了，只要负极含锂，电解质是非水的就行。平时更多的是把 负极是金属锂的一次电池 叫做锂电池，也叫锂原电池，是不能充电的，代表性的有锂-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 LiCoO ₂ 是离子化合物，锂也是以离子形式存在的，电池中没有金属锂的存在，因此叫做“锂离子电池”，得了诺奖的就是它。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 LiC ₆ ，锂并没有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，LiC ₆ 在空气中会自燃，也最好别自己更换手机电池，有可能操作不当把电池划破了，搞不好会起火爆炸）

说到锂离子电池，还有个人也不得不提一下，那就是法国科学家 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，或者说手机上用的是锂电池的时候，就可以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，其实就是锂离子电池，也叫聚合物锂离子电池。和传统的锂离子电池相比，不一样的地方在于它的外壳是 铝塑膜 ，然后就没啥大的差别了。换个壳就可以改个高大上的名字，真让人头冷。所谓铝塑膜，就是两层 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就是可以减轻电池的重量。

▲ 聚合物锂离子电池（也叫软包电池），外壳就是铝塑膜

还有种“ 凝胶聚合物锂离子电池 ”，它用的电解质比较特殊，像一般的锂离子电池用的电解液是液态的，而它用的是凝胶态的，就像果冻一样。

锂离子电池的容量与能量

现在的手机屏幕越来越大，相应的耗电量也增加了。所以，手机电池的容量也就成了一个很重要的选购指标，毕竟谁也不想用着手机的同时还拖着长长的充电线吧。

▲ 真香警告

现在衡量手机电池容量的单位是 mAh，高中知识告诉我们，这是电量的单位，还需要乘上个电压才是能量的单位。

电池容量计算方法：

电池能量计算方法：

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？！这其实是因为在手机这类便携式电子设备中，为了减小电池的体积，锂离子电池的正极使用的都是 钴酸锂 ，这种正极材料具有很高的 压实密度 。正因为手机电池的正极用的都是同一种材料，所以电池的电压都比较接近（理论上是 3.7V，这个具体和不同电池生产商的工艺有关），再加上手机里面往往只有一块 单体电池 （请忽视最近某手机厂出的某款手机，里面有两块 2000mAh 的电池），只用容量其实就可以衡量电池储存能量的大小。

但是电脑上的电池却会同时标注电池的容量（电量）和能量。这是因为，电脑中不只有一块单体电池啊，里面有很多块电池串并联，形成了 电池组 ，就不能用电池的容量来衡量了。高中知识告诉我们： 同一型号的电池，电池并联后，电池组的电压不变，但会增加电池组的容量；电池串联，电池组的容量不变，但是会增加电池组的电压 。

▲ 电池并联 | 来源：esigara.eu

▲电池串联 | 来源： batteryuniversity.com

现在就以小编手头上的这台笔记本电脑为例，它的规格参数上写着“57.4Wh/[email protected]（典型容量）”，这就说明，这是由四块容量为3782.5mAh，电压为3.8V锂离子电池串并联形成的电池组，7565mAh×7.6V=57.494Wh。那么为什么不是由两块 7565mAh 的电池串联呢？嘿嘿，7565mAh 的电池容量太大了，对生产的要求比较高；其次 3782.5mAh 的电池其实就是手机上用的电池，对工厂来说，只要一条生产线就可以同时生产手机、电脑用的电池，这样可以减少成本。

然后小编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？但是看一下它的电压就恍然大悟。这是由 6 块容量为 2200mAh，电压为 3.6V 的电池串并联而成的，也就是传说中的 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 的容量可以看出，这是 18650 电池（就是电池直径为 18mm，高度为 65mm 的圆柱电池）。

所以，衡量电池的续航能力，还是看能量比较靠谱，自己动手算一算。

锂离子电池使用指北

小编曾经听有人说过，刚买回来的手机前几次使用的时候，要先充满电，再把电量耗尽，反复几次，这样才能将电池激活，电池的寿命会更长。

当听到这个说法的时候，小编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。如果把时间倒退个二十年，这个说法是没有很大问题的。因为那是使用的还是镍氢电池，它有所谓的“ 记忆效应 ”，就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，导致容量下降 [3] 。进行几次完全的充放电能让晶粒细化，让容量部分恢复，这就是所谓的“激活”。

▲ 镍氢电池 | 来源：Wikipedia

而现在手机早已经用上了锂离子电池。前面已经说了，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”。所以刚买来的手机，直接用就行。

又有人问，锂离子电池的循环寿命只有 500 次左右，那么要怎样才能让锂离子电池寿命延长？

锂离子电池的循环寿命一般是定义为： 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。 从这儿可以看出两个关键词：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。但是我们的手机有保护机制，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 %以下并不是说它不能用，只是会让用户觉得电池不耐用了。

如果锂离子电池在工厂测试时的寿命有 500 次，那么我们平时使用的寿命肯定是要大于 500 次的。因为我们平时正常使用做不到对电池深度充放电，电池容量衰减没那么厉害。至于如何让锂离子电池更长寿，我们所能做的就是别对电池深度充放电（当然更要 避免过度充电，过度放电 ），也就是要对锂离子电池浅充浅放：没充满电就用，没放完电就充。但这样子做实在是影响玩手机的乐趣啊，所以有个更折衷的方案：手机充满电后再使用，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 %？因为小编的手机在 20 % 电量时会进入省电模式，小编有强迫症，这时会迫不及待给手机充电。

关于锂离子电池，你所不知道的一些事儿

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