傳遞科技背後的思考

大家好，今天我們這篇文章的主人公是鋰和鋰電池，確切的說是鋰離子電池。

我的很多篇文章都是關於動力鋰電池，從特斯拉4680到比亞迪刀片電池，從圓柱電芯到方塊電芯再到軟包電芯。但是始終沒有把鋰離子電池當做主角。

這也導致有些對鋰離子電池不瞭解的讀者在看文章的時候遇到了一些困惑，所以今天我們就科普一下鋰和鋰離子電池。

鋰的歷史

看過我文章的讀者應該有所瞭解，我有時候會在文章中說一點兒大家平時可能接觸不到的知識。

今天我們就先簡單說說鋰的歷史。

鋰是什麼時候誕生的呢？

如果我們認同宇宙大爆炸理論的話（至少現在主流科學界是認可的），那麼在宇宙大爆炸的最初幾分鐘內，鋰就誕生了。

宇宙大爆炸發生後的1微秒，質子產生了。氫原子的原子核就是一個質子，所以氫原子核也就產生了。有了質子，也就有了中子（質子失去電子就是中子），然後就有了氘核（1個質子1箇中子組合）。氘核捕獲一箇中子並透過β衰變把它變成質子，就形成了氦原子核（2個質子1箇中子組合），這就是氦-3。然後是氦-4（2個質子2箇中子組合），氦3和氦-4形成了鈹-7（4個質子3箇中子組合），鈹-7又衰變成鋰-7（3個質子4箇中子組合）。氘和氦-4也能形成鋰-6（3個質子3箇中子組合），總之大爆炸就是這麼魔幻，質子中子組合來組合去。

這一切都發生在137億年前短短的幾分鐘內，時光冉冉，科學家今天只能透過對宇宙中各種元素的丰度進行觀察，來驗證大爆炸理論。而鋰-6和鋰-7在宇宙中的丰度，也給科學家提出了更多的質疑，讓大爆炸理論持續受到挑戰，然後再持續完善。

鋰，在大爆炸理論下，就是宇宙中最古老的元素之一，它在地球誕生之日起，就蘊含在地殼中，靜靜的等待著為人類貢獻自己的力量。

直到地球誕生50多億年後，在1817年，瑞典化學家貝齊裡烏斯的學生阿爾費特森才最先發現了鋰，人類才知道它的存在。1821年，布蘭德採用電解法來電解氧化鋰，獲得了微量的純鋰。

鋰的物理化學特性

鋰是最輕的金屬，它有多輕呢，密度僅為0.534g/cm3，人體的密度則是1.02 g/cm³，鋼的密度約7.85g/cm3。假如一輛汽車是鋰做的，那一個人就可以把它抬起來。

把金屬鋰放到水裡，會有啥現象呢，首先它會漂在水面，然後會和水反應迅速產生氫氣。

金屬鋰也會漂在任何油和液態烴中，所以為了避免氧化，金屬鋰要儲存在凡士林裡隔絕空氣。

鋰原子有三個質子，三個電子，其中兩個電子在內電子層，一個電子在外電子層。

鋰原子

鋰對外層電子的引力很小，也就是說鋰很容易失去外層電子變成一個相對穩定的帶正電離子。

鋰離子

同樣的，鋰在形成化合物以後，也不穩定，鋰元素很容易從化合物中脫離形成鋰離子，當然鋰離子也容易再重新嵌入化合物中，其實嵌入後也還是離子態，但是整體不顯電性。

磷酸鐵鋰嵌入和脫嵌

舉個例子，把化合物比作古時候的中國，鋰離子就像中國周邊的少數民族一樣，有的時候在邊境搞搞事情，朝廷一派兵，就跑了，過幾天再回來，然後再跑，週而復始。

而鋰離子的這種活性，使得它成為了可充電電池的一個很好的材料。

鋰電池

首先問世的是鋰電池，這種電池的負極是鋰金屬，正極是二硫化鈦。

大家看清楚，鋰電池的負極是金屬鋰做成的。

鋰電池

放電過程就是負極中的金屬鋰失去電子形成鋰離子，鋰離子在電解液中擴散到正極，正負極形成電勢差，正極電勢高。由於電池內部的隔膜是絕緣的，電子只能透過外電路到達正極，所以外電路就有電流，這就是鋰電池放電過程。

充電過程類似，給鋰電池接充電電源，正極電壓高，所以帶正電的鋰離子在電壓下脫離二硫化鈦，並在電解液中擴散到負極，而正極在失去鋰離子後多餘的電子走外電路，最終外電路的電子到達負極金屬鋰，和鋰離子結合，這就是鋰電池充電過程。

金屬鋰做負極，有一個致命的問題，就是在反覆充放電的過程中，負極會形成鋰枝晶，這是啥東西呢，形象的說就像人年紀大了關節產生的骨刺。鋰枝晶是致命的，它會穿過正負極之間的隔膜，導致電池內短路，起火甚至爆炸。

鋰離子電池

因此，科學家在鋰電池的道路上繼續探索，終於發明了鋰離子電池。

為什麼叫鋰離子電池呢？因為在整個電池中，沒有金屬鋰存在，取而代之的是鋰元素的化合物。

我們在上面說了，鋰化合物中的鋰離子很容易脫嵌出來，脫嵌出來以後，鋰離子和電子結合就能夠儲存電量。

那鋰離子脫嵌出來以後要呆在哪？必須得有一個能夠容納鋰離子的縫隙才行，很幸運，我們有石墨。石墨的特殊結構使得它的內部有容納原子的空間，而且石墨的層結構能保證鋰離子嵌入後體積變化不大。

石墨結構

舉個例子，石墨就像山崖上的一個個小凹坑，剛好能夠容納小鳥棲身。

鋰離子電池是這樣的：

正極由鋰化合物構成，比如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰等。在充電前，鋰離子都存在於正極的鋰化合物中，整體不顯電性。

充電過程中，鋰離子在外加電壓下從化合物中脫嵌，透過電解液擴散，穿過隔膜嵌入到石墨的空隙中。鋰化合物在失去了鋰離子後帶負電，其電子透過外電路到達負極，被石墨吸附，和鋰離子中和。

放電的過程正好相反，負極的電子透過外電路到達正極，而鋰離子透過電解液擴散到正極，並嵌入到化合物中。

鋰離子就這樣在正負極之間來回穿梭，而電子就在外電路中來回穿梭，他們一直在正極和負極重複著相遇、分開、再相遇、再分開的過程。

影響鋰離子電池效能的因素

從上面的過程我們能夠知道，電池的效能取決於活性鋰離子的多少，還有鋰離子嵌入脫嵌的速度。

有活性的鋰離子越多，那麼電池容量越大。鋰離子嵌入脫嵌的速度越快，充放電電流就越大。

不管是正極材料，還是負極材料，在沒有鋰離子的情況下，一定要滿足：

結構穩定，正負極材料都是為了容納鋰棲身，就像鋰離子的家，不能人走了房子就塌了；通道暢通，就像家裡的門一樣，不能太窄，走廊也不能太繞，否則鋰離子出不去回不來；導電性好，除了鋰離子，電子也要透過外電路離開，所以導電效能得好。

除了正負極材料，電解液、隔膜，以及正負極上面的SEI膜，還有電子離開正負極通向外電路的金屬集電板，都會成為影響鋰離子電池效能的因素。

每種材料，尤其是正極材料，在不同的溫度環境下也會有不同的效能表現，都會影響電池的整體效能。

鋰離子在嵌入和脫嵌的過程中，總是會有一些損失，日積月累，容量逐漸下降，不同的材料容量下降時間不同，所以電池壽命也不同。

鋰離子電池是儲能的，最怕的就是熱失控，不同的正極材料的自燃溫度是不一樣的，比如三元鋰電池的自燃溫度為200℃，磷酸鋰電池的自燃溫度為500-800℃。所以不同的材料安全性也是截然不同的。

不同的正極材料，由於天然儲量和開採難度不同，價格也不同，這也導致了鋰離子電池的成本差別。比如鈷作為一種稀有金屬，成本就高，而磷酸鐵鋰成本就低。

鋰資源現狀

鋰在地球中的含量排名27位，在地殼中約含0.0065%。鋰其實並不是一種非常稀有的元素，光海水中的鋰含量就超過兩千億噸，只是採集難度較大。

2019年全球已探明鋰儲量為1700萬噸，其中智利860萬噸；澳大利亞280萬噸；阿根廷170萬噸；中國100萬噸；美國63萬噸；加拿大37萬噸。

所以，鋰礦至少在目前，還是一個依賴進口的行業，而且主導權在澳大利亞。考慮到近期鐵礦石的漲價，以及後續新能源行業的快速發展，我國對鋰資源的依賴性可想而知。

當然，內資企業也已經早早就行動了，包括天齊鋰業、贛鋒鋰業等都在澳洲、南美對國外鋰資源進行大規模的投資。

鋰，這個古老的元素，在人類探索新能源的路上，默默的奉獻著。

鋰資源，伴隨著新能源行業的崛起，也將迎來新一輪挑戰！