陽極表面材料 - 究竟是什么限制了電池的容量？

　　三：電池的大問題之二，陽極表面材料

　　大家好，我又回來了。

　　如果你能堅(jiān)持每行讀下來一直讀到這里，恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個(gè)層次。

　　現(xiàn)在回顧上一部分的內(nèi)容。啥么？？全忘了？？不就一句話么？由于不做功但是必不可少的電解質(zhì)以及其他輔助材料的存在，電池的能量密度被稀釋了。

　　這些額外重量到底有多少？？

　　電解質(zhì)的重量一般占電池全重15%（鏈接找不到了）隔膜沒查到。估計(jì)把外殼，外接電極之類的輔助材料都算上，總重應(yīng)該不超過電池總重的50%。

　　不對啊，電池雖然摻‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的鋰離子電池們的能量密度也就單質(zhì)鋰的1%左右。這到底又發(fā)生了什么？（這句式為何這么熟悉呢？）

　　喝點(diǎn)鮮橙多，讓我們看看最常見的鈷酸鋰電池（Tesla Roadster）的電化學(xué)反應(yīng)式。

　　醒醒?。?！化學(xué)不好沒關(guān)系，不要暈倒?。?！都讀到這里了，你也知道達(dá)主會(huì)歸納的呀！！

　　發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的其實(shí)只是一部分鋰與鈷，其它的元素均不參與電子轉(zhuǎn)移。

　　然后我們做個(gè)小計(jì)算：單質(zhì)鋰的原子量為6.9，能貢獻(xiàn)1個(gè)電子參與電子轉(zhuǎn)移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。

　　鈷酸鋰電池的電池反應(yīng)的反應(yīng)物總分子量為98+72=170，但只能貢獻(xiàn)半個(gè)電子參與電子轉(zhuǎn)移。因?yàn)橹挥胁糠咒囋訒?huì)發(fā)生反應(yīng)。

　　假如我們認(rèn)為這兩個(gè)電子的做功是一致的，那么就可以估計(jì)一下這兩種能量載體的能量密度之比了。

　　電池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /（1/6.9） =2.03% 電池完敗。

　　考慮到電池有一半重量是輔助材料，我剛才沒算進(jìn)去。于是還得打個(gè)折。就剩下1%了。

　　所以能量密度就成了這樣：鋰 43.1MJ/Kg 鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg

　　呵呵呵呵呵呵呵……還跟得上么？？四則運(yùn)算多簡單呀?，F(xiàn)在知道發(fā)生了什么了吧？？

　　現(xiàn)在你們是否明白 我為啥說：電池背后的化學(xué)限制了電池的能量密度。

　　接下來我們的問題是：為什么電池的化學(xué)反應(yīng)要那么復(fù)雜，直接降低了電池的能量密度。

　　這個(gè)問題展開說會(huì)比較復(fù)雜，估計(jì)大部分人沒耐心看完。所以先給個(gè)簡單答案：

　　為了有序。

　　好了，沒耐心的人，你們可以走了。下面真的很長，能讀完的都不是一般人。

　　開始長篇之前再放張圖：

　　剩下的同學(xué)們，是不是覺得這圖很熟悉？其實(shí)還是鋰電池的示意圖，只是這回因陰極陽極的表面結(jié)構(gòu)都顯示出來了。大家有沒有覺得它們都很整齊規(guī)矩??？？

　　整齊規(guī)矩?fù)Q個(gè)說法，有序。

　　為什么陰極陽極的表面結(jié)構(gòu)都需要有序？因?yàn)橐ＷC在充電/放電時(shí)，氧化還原反應(yīng)只在陰極和陽極的表面發(fā)生，這樣才能有電流。

　　我們先看石墨（C6）所在的陽極。

　　陽極的任務(wù)很簡單，放電時(shí)保證鋰原子（不是離子）都在陽極表面失去電子，充電時(shí)再把它們抓回來就好了。由于充電時(shí)陽極電壓低，帶正電的鋰離子會(huì)自發(fā)向陽極移動(dòng)，得到電子回歸為鋰原子。

　　似乎沒有石墨什么事情?。?？

　　如果是一次性電池，確實(shí)不需要石墨。但如果是可充放電池，陽極表面材料不是石墨也會(huì)是其它物質(zhì)。

　　別賣關(guān)子了，快說到底咋回事？？

　　急啥。這得仔細(xì)想想。充電時(shí)，鋰離子會(huì)在陽極表面得到電子成為鋰原子。然后呢？？

　　我們都知道 所有金屬都是良好電子導(dǎo)體，鋰是金屬，所以鋰是良好電子導(dǎo)體。于是先到陽極的鋰原子成為了陽極的一部分，于是后到陽極的鋰離子加入了前鋰的行列。。。。

　　于是完全由鋰原子構(gòu)成的晶體出現(xiàn)了。這個(gè)過程，又稱析晶。結(jié)果是鋰晶體會(huì)刺穿隔膜到達(dá)陰極，于是電池短路報(bào)廢了。

　　對于析晶這一現(xiàn)象，我們可以這么理解。

　　在充電過程中，我們對于鋰離子的控制實(shí)際上很弱。我們只能保證鋰離子會(huì)移動(dòng)到陽極表面，但我們無法保證鋰離子會(huì)均勻地分布在陽極表面。因此在沒有外來約束條件下，充電時(shí)鋰晶體會(huì)在陽極表面無序生長，形成枝晶 （dendritic crystal）。

　　所以一定要有個(gè)約束條件。要挖個(gè)坑讓鋰離子往里面跳。

　　這個(gè)坑的具體表現(xiàn)即為陽極表面的石墨材料。如上圖所示，石墨層之間的空隙夠大，足以容納單個(gè)鋰原子，但也只能容納單個(gè)鋰原子；然后石墨層與鋰原子之間的物理吸附作用可以穩(wěn)住鋰原子，于是鋰原子在沒有外來電壓時(shí)候也能安心待在陽極表面。

　　如此以來，鋰原子便不會(huì)野蠻生長了。但能量密度也上不去了。