關(guān)于鋰離子電池，你所不知道的一些事兒

Goodenough老先生在陪跑了多年諾獎(jiǎng)之后，終于在今年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（然而諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)村上春樹今年繼續(xù)陪跑，心疼他一秒）。關(guān)于鋰離子電池為什么可以得諾獎(jiǎng)，可以看看諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)的官方解讀——他們研制出了世界上最強(qiáng)的電池（放心，已經(jīng)貼心地翻譯成中文了）。

村上春樹

Goodenough老先生得諾獎(jiǎng)的呼聲一直很大，今年美國化學(xué)會(huì)（ACS）邀請(qǐng)化學(xué)家們進(jìn)行了一場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)直播，預(yù)測(cè)今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，鋰離子電池和CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat）得票最高 [1]（所以小編在此奶一口CRISPR，沒準(zhǔn)明年就得獎(jiǎng)了呢）。

CRISPR的可能機(jī)制示意圖 | 來源：Wikipedia

鋰離子電池得諾獎(jiǎng)確實(shí)是眾望所歸。鋰離子電池現(xiàn)在已經(jīng)深入到了生活中的方方面面，它讓電子設(shè)備更加輕量、續(xù)航更加持久，比如你現(xiàn)在能用手機(jī)刷這篇文章就離不開鋰離子電池。

鋰離子電池原理 [2]

我們現(xiàn)在的生活已經(jīng)離不開鋰離子電池，大家對(duì)它的原理、歷史之類的都比較熟悉了，那么小編今天就劍走偏鋒，來給大家聊一聊鋰離子電池少為人知的一面。

鋰電池？鋰離子電池！

可能有小可愛已經(jīng)注意到了，小編說的一直都是“鋰離子電池”，但平時(shí)大家可能有聽到過鋰電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池等各種各樣的名詞，被這些名詞搞的七葷八素的。小編下面就來給大家捋一捋。

鋰電池的概念其實(shí)很混亂，沒有一個(gè)很統(tǒng)一的說法，姑且看一下國標(biāo)（其實(shí)是推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)）里面是怎么說的吧。《電工術(shù)語 原電池和蓄電池》（GB/T 2900.41-2008）中把鋰電池定義為“含非水電解質(zhì)，負(fù)極為鋰或含鋰的電池”，可以是原電池也可以是蓄電池。這個(gè)范圍就很寬泛了，只要負(fù)極含鋰，電解質(zhì)是非水的就行。平時(shí)更多的是把負(fù)極是金屬鋰的一次電池叫做鋰電池，也叫鋰原電池，是不能充電的，代表性的有鋰-二氧化錳電池、鋰-氟化碳電池、鋰-亞硫酰氯電池。

鋰原電池

鋰離子電池則是為了與鋰電池相區(qū)別而發(fā)明出來的一個(gè)詞語。前Sony高級(jí)執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官西美緒（Yoshio Nishi）解釋說 [2]，負(fù)極的鋰碳化合物中的“鋰”是以離子的形式存在的，而正極的LiCoO2是離子化合物，鋰也是以離子形式存在的，電池中沒有金屬鋰的存在，因此叫做“鋰離子電池”，得了諾獎(jiǎng)的就是它。顯然，鋰離子電池是可充電電池。

西美緒（對(duì)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化做出了很大貢獻(xiàn)）

滿電態(tài)的負(fù)極，金色的是LiC6，鋰并沒有以金屬單質(zhì)的形式存在（將鋰離子電池充好電后拆解，圖中是在手套箱中操作，千萬別自己拆解充好電的鋰離子電池，LiC6在空氣中會(huì)自燃，也最好別自己更換手機(jī)電池，有可能操作不當(dāng)把電池劃破了，搞不好會(huì)起火爆炸）

說到鋰離子電池，還有個(gè)人也不得不提一下，那就是法國科學(xué)家米歇爾·阿曼德（Michel Armand），他在1972年提出了插層化合物和“搖椅電池（rocking chair batteries）” 的概念，正負(fù)極采用插層化合物，將鋰離子在正負(fù)極之間的穿梭形象地比作搖椅的搖動(dòng)。

Michel Armand

當(dāng)你以后聽到有人說鋰電池得了諾獎(jiǎng)，或者說手機(jī)上用的是鋰電池的時(shí)候，就可以禮貌而不失微笑地指出：那不是鋰電池，是鋰離子電池（lithium-ion batteries）。裝B之后飄然而去，深藏功與名。

至于鋰聚合物電池，其實(shí)就是鋰離子電池，也叫聚合物鋰離子電池。和傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，不一樣的地方在于它的外殼是鋁塑膜，然后就沒啥大的差別了。換個(gè)殼就可以改個(gè)高大上的名字，真讓人頭冷。所謂鋁塑膜，就是兩層聚丙烯之間夾著一層鋁箔，鋁箔是用來防止空氣中的水透過聚丙烯進(jìn)入電池內(nèi)部的，用鋁塑膜做外殼的好處就是可以減輕電池的重量。聚合物鋰離子電池（也叫軟包電池），外殼就是鋁塑膜

還有種“凝膠聚合物鋰離子電池”，它用的電解質(zhì)比較特殊，像一般的鋰離子電池用的電解液是液態(tài)的，而它用的是凝膠態(tài)的，就像果凍一樣。

鋰離子電池的容量與能量

現(xiàn)在的手機(jī)屏幕越來越大，相應(yīng)的耗電量也增加了。所以，手機(jī)電池的容量也就成了一個(gè)很重要的選購指標(biāo)，畢竟誰也不想用著手機(jī)的同時(shí)還拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的充電線吧。

真香警告

現(xiàn)在衡量手機(jī)電池容量的單位是mAh，高中知識(shí)告訴我們，這是電量的單位，還需要乘上個(gè)電壓才是能量的單位。

電池容量計(jì)算方法：

等等，手機(jī)消耗的明明是能量，怎么用個(gè)電量的單位來衡量它？！這其實(shí)是因?yàn)樵谑謾C(jī)這類便攜式電子設(shè)備中，為了減小電池的體積，鋰離子電池的正極使用的都是鈷酸鋰，這種正極材料具有很高的壓實(shí)密度。正因?yàn)槭謾C(jī)電池的正極用的都是同一種材料，所以電池的電壓都比較接近（理論上是3.7V，這個(gè)具體和不同電池生產(chǎn)商的工藝有關(guān)），再加上手機(jī)里面往往只有一塊單體電池（請(qǐng)忽視最近某手機(jī)廠出的某款手機(jī)，里面有兩塊2000mAh的電池），只用容量其實(shí)就可以衡量電池儲(chǔ)存能量的大小。

但是電腦上的電池卻會(huì)同時(shí)標(biāo)注電池的容量（電量）和能量。這是因?yàn)椋娔X中不只有一塊單體電池啊，里面有很多塊電池串并聯(lián)，形成了電池組，就不能用電池的容量來衡量了。高中知識(shí)告訴我們：同一型號(hào)的電池，電池并聯(lián)后，電池組的電壓不變，但會(huì)增加電池組的容量；電池串聯(lián)，電池組的容量不變，但是會(huì)增加電池組的電壓。

現(xiàn)在就以小編手頭上的這臺(tái)筆記本電腦為例，它的規(guī)格參數(shù)上寫著“57.4Wh/7565mAh@7.6V（典型容量）”，這就說明，這是由四塊容量為3782.5mAh，電壓為3.8V鋰離子電池串聯(lián)形成的電池組，7565mAh×7.6V=57.494Wh。那么為什么不是由兩塊7565mAh的電池串聯(lián)呢？嘿嘿，7565mAh的電池容量太大了，對(duì)生產(chǎn)的要求比較高；其次3782.5mAh的電池其實(shí)就是手機(jī)上用的電池，對(duì)工廠來說，只要一條生產(chǎn)線就可以同時(shí)生產(chǎn)手機(jī)、電腦用的電池，這樣可以減少成本。

然后小編去看了另一臺(tái)筆記本電腦的電池規(guī)格參數(shù)，見下圖。乍一看，這塊電池的容量就比手機(jī)電池大一點(diǎn)，怎么能給筆記本電腦用？但是看一下它的電壓就恍然大悟。這是由6塊容量為2200mAh，電壓為3.6V的電池串聯(lián)而成的，也就是傳說中的6芯鋰離子電池（里面有6個(gè)單體電池）。從這根電池的形狀（長(zhǎng)長(zhǎng)的）和2200mAh的容量可以看出，這是18650電池（就是電池直徑為18mm，高度為65mm的圓柱電池）。

所以，衡量電池的續(xù)航能力，還是看能量比較靠譜，自己動(dòng)手算一算。

鋰離子電池使用指北

小編曾經(jīng)聽有人說過，剛買回來的手機(jī)前幾次使用的時(shí)候，要先充滿電，再把電量耗盡，反復(fù)幾次，這樣才能將電池激活，電池的壽命會(huì)更長(zhǎng)。

當(dāng)聽到這個(gè)說法的時(shí)候，小編我頓時(shí)就在風(fēng)中凌亂了。這哪是讓鋰離子電池電池長(zhǎng)壽，分明是讓鋰離子電池短命啊。如果把時(shí)間倒退個(gè)二十年，這個(gè)說法是沒有很大問題的。因?yàn)槟鞘鞘褂玫倪€是鎳氫電池，它有所謂的“記憶效應(yīng)”，就是電池放久了之后鎳極板上的晶體會(huì)變得粗大，影響和電解液的接觸，導(dǎo)致容量下降 [3]。進(jìn)行幾次完全的充放電能讓晶粒細(xì)化，讓容量部分恢復(fù)，這就是所謂的“激活”。

而現(xiàn)在手機(jī)早已經(jīng)用上了鋰離子電池。前面已經(jīng)說了，鋰離子電池是基于鋰離子在插層化合物中嵌入脫出，并不存在著什么“記憶效應(yīng)”。所以剛買來的手機(jī)，直接用就行。

又有人問，鋰離子電池的循環(huán)壽命只有500次左右，那么要怎樣才能讓鋰離子電池壽命延長(zhǎng)？

鋰離子電池的循環(huán)壽命一般是定義為：鋰離子電池進(jìn)行深度充放電時(shí)，其容量能保持在80%以上的循環(huán)次數(shù)。從這兒可以看出兩個(gè)關(guān)鍵詞：深度充放電和80%。深度充放電容易破壞鋰離子電池中的微觀結(jié)構(gòu)，使得容量降低。但是我們的手機(jī)有保護(hù)機(jī)制，是沒法對(duì)電池進(jìn)行深度充放電的，那得要用電池廠的專門設(shè)備才行；其次，鋰離子電池的容量在80%以下并不是說它不能用，只是會(huì)讓用戶覺得電池不耐用了。

如果鋰離子電池在工廠測(cè)試時(shí)的壽命有500次，那么我們平時(shí)使用的壽命肯定是要大于500次的。因?yàn)槲覀兤綍r(shí)正常使用做不到對(duì)電池深度充放電，電池容量衰減沒那么厲害。至于如何讓鋰離子電池更長(zhǎng)壽，我們所能做的就是別對(duì)電池深度充放電（當(dāng)然更要避免過度充電，過度放電），也就是要對(duì)鋰離子電池淺充淺放：沒充滿電就用，沒放完電就充。但這樣子做實(shí)在是影響玩手機(jī)的樂趣啊，所以有個(gè)更折衷的方案：手機(jī)充滿電后再使用，還剩20%的電的時(shí)候就充電，別等到手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)了才去充電。為啥是20%？因?yàn)樾【幍氖謾C(jī)在20%電量時(shí)會(huì)進(jìn)入省電模式，小編有強(qiáng)迫癥，這時(shí)會(huì)迫不及待給手機(jī)充電。

手機(jī)電量恐懼癥

其實(shí)我們那些不良使用習(xí)慣工程師早就考慮到了，不用自己瞎操心（真·我比工程師聰明系列），手機(jī)電池正常使用兩三年還是扛得住的，兩三年到了，手機(jī)其實(shí)也差不多該換了。