太蓝锂汇|电池的玄妙与魔力，锂电池的原理概述(上）

电化学产业经历了长足平妥的发展过程，大量的科研院所、企业机构潜心研究，在前进路途中不断涉历和试错，同时也贡献了卓著的研究成果。时序更替，在此前长达30年的时间里，锂电池的基础体系基本保持相对平稳的态势。探索无限止、前进疾兼程，现今的电池技术仍然在渐进发展，未来仍为可期。

「太蓝锂汇」是太蓝新能源开设的电池科普内容集汇栏目，通过知识科普触及锂电池技术动态和相关市场领域。深耕于先进固态锂电产业研发，太蓝力量正当时，并且将不断发荣滋长。

电是现代文明的血液，电能的利用是人类进入现代化社会的标志。电池作为一种能量转化与储存的装置，通过反应将化学能转化为电能。电流无形，带来的现实力量却在转化成有形的科技力量，深藏着推动社会发展与技术革新的玄妙与魔力。

基于我们之前的《关于锂电池的基础解读》，本文当中所指的锂离子电池特指可反复充电的二次锂离子电池，而不是一次性电池。

锂离子电池在我们的日常生活中随处可见，其应用领域包括消费类（消费电子，电动工具等）、动力类（新能源汽车等）、储能类（储能基站、工业储能电站等）。作为电能的载体和众多设备的动力来源，可以说，如果没有锂离子电池，也就无法实现诸多科技成果的实际转化。

作为电池技术的一种，锂离子电池的相关理论研究，近年以来的研究成果大多数研究都集中在材料、配方、工艺等方面，也就是如何提高产业化的程度，研究出性能更优异的锂离子电池（能量密度更高、循环寿命更长）。

锂离子电池的基本原理

1.如何选择能量的载体

首先大家会问，为什么一定要选择锂元素作为能量载体？

元素周期表会给予答案。

为什么选择锂，锂的电极电位是首屈一指的。电化学反应里面，翻遍元素周期表100多种元素，它一定是能量密度最高的，所以制作电池，会首选锂，因为它最轻而且电压最低。所以为什么选锂，也就是这个核心点。

要想成为好的能量载体，就要以尽可能小的体积和重量，存储和搬运更多的能量。因此，需要满足以下几个基本条件：

1）原子相对质量要小

2）得失电子能力要强

3）电子转移比例要高

基于这3项基本原则，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左边的元素比右边的元素要好。初步筛选，我们只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性气体和氧化剂，只剩下氢、锂、铍、硼、碳，这5个元素。氢元素是非常好的一种能量载体，关于氢燃料电池的研究一直方兴未艾。

接下来的重头戏就是锂，选择锂元素来做电池，是基于地球当前的所有元素中，我们能够找到的相对优解（铍的储量比较少，属于稀有金属）。

目前自然界中已经存在的，并且可以为人类广泛使用的能源，比如石油、天然气、煤炭等，其主要成分也是碳、氢、氧等元素（在元素周期表的第一周期和第二周期）。所以无论是自然的选择，还是人类的“设计”，最终都是殊途同归的。

2.锂离子电池的工作原理

按照常规的使用习惯，根据充放电时的电压差区分正极（+）和负极（-）；

举例来讲，如果电池的正极材料是钴酸锂（LiCoO2），负极材料是石墨（C）。在充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料LiCoO2分子里面的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li+），在电场力的作用下，从正极经过电解质移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极脱出来的Li+就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构中。从正极跑出来转移到负极的Li+越多，这个电池可以存储的能量就越多。

放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子（Li+）从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2）。从负极跑出来转移到正极的Li+越多，这个电池可以释放的能量就越多。

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，所以锂离子电池又被称作“摇椅式电池”。Li+与正、负极材料发生化学反应，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。由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。