欠去——这就是承诺 电池 提供。他们给我们 所有的便利 电力 以方便、便携的形式。这 唯一的问题是，大多数电池电量耗尽的速度非常快，除非您 使用专用充电器，然后您必须将它们扔掉。它 在你的口袋里很辛苦，对环境也有害：在全球范围内，我们扔 每年消除数十亿一次性电池。 可充电电池有助于解决这个问题和最好的种类 使用一种称为 锂离子.你 手机, 笔记本 计算机, 和 MP3播放器 可能都使用锂离子电池。他们一直是 自 1991 年左右开始使用，但基础化学首先是 由美国化学家吉尔伯特·刘易斯(1875-1946)发现 1912. 让我们仔细看看它们是如何工作的!

　　艺术品：锂离子电池为各种“移动”技术提供动力，从电动牙刷和平板电脑到电动汽车和卡车。

　　普通电池的麻烦

　　如果您已经阅读了我们的主要文章 电池，你会知道一个 电池本质上是一个在小范围内发生的化学实验 金属罐。将电池的两端连接到类似 手电筒和化学反应开始：里面的化学物质 电池缓慢但系统地分解并连接 自己一起制造其他化学物质，产生一连串的正向 带电粒子称为 离子 并带负电 电子.这 离子穿过电池;电子通过电路 电池连接到的电池，提供电力 能源 驱动 手电筒。唯一的麻烦是，这种化学反应可以 只发生一次，而且只有一个方向：这就是为什么普通电池通常 无法充电。

　　可充电电池=可逆反应

　　艺术品：普通电池，如锌碳和碱性电池，不能充电，因为产生电力的化学反应是不可逆的。一旦它们耗尽电能，就没有简单的方法来重新填充它们。

　　可充电电池中使用了不同的化学品，它们 通过完全不同的反应分裂。最大的区别是 可充电电池中的化学反应是 可逆: 当电池放电时，反应会单向进行，并且 电池发出电源;当电池充电时，反应 朝相反的方向走，电池会吸收电力。这些 化学反应可以在两个方向上发生数百次， 因此，可充电电池通常会为您提供两个以上的任何东西 或 3 到 10 年的使用寿命(取决于如何 你经常使用它以及你照顾它的程度)。

　　锂离子电池的工作原理

　　照片：锂离子电池，例如笔记本电脑上的这个，是由一个数字制成的 称为电池的发电单元。每个电池产生大约 3-4 伏的电压，因此锂离子电池 产生 10-16 伏电压通常需要三到四个电池。该电池的额定电压为 10.8 伏，内部有三个电池。

　　像任何其他电池一样，可充电锂离子电池是制造的 一个或多个称为 细胞.每个单元格 基本上有三个组成部分：一个 正极 (连接到 电池的正极或+端子)，a 负极 (连接到负极或-端子)，以及一种称为 电解质 在他们之间。正极通常由 来自一种称为锂钴氧化物(LiCoO)的化合物2) 或，在 较新的电池，来自磷酸铁锂(LiFePO4). 负极一般由碳(石墨)和 电解液因电池而异，但事实并非如此 对于理解电池如何工作的基本思想太重要了。

　　照片：锂离子(Li-ion)电池对环境的破坏比 含有重型电池 五金 如镉和汞，但 回收 他们还很远 最好是焚烧或送往垃圾填埋场。

　　所有锂离子电池的工作方式大致相同。当 电池正在充电，锂钴氧化物，正极放弃 它的一些锂离子，通过电解质移动到 负极，石墨电极并留在那里。电池吸收和存储 在此过程中的能量。当电池放电时， 锂离子穿过电解质回到正极 电极，产生为电池供电的能量。在两者中 在这种情况下，电子的流动方向与周围的离子相反 外电路。电子不会流过电解质： 就电子而言，它实际上是一个绝缘屏障。

　　离子(通过电解质)和电子(围绕外部电路，相反)的运动 方向)是相互关联的过程，如果其中一个停止，另一个也会停止。如果离子停止通过 电解质，因为电池完全放电，电子无法通过外部移动 电路要么——所以你会失去你的权力。同样，如果您关闭 无论电池供电什么，电子流都会停止，离子的流动也会停止。 电池基本上停止以高速率放电(但它确实如此 即使设备断开连接，也以非常慢的速度继续放电)。

　　与简单的电池不同，锂离子电池内置 电子的 调节控制器 他们如何充电和放电。它们可以防止过度充电和过热 在某些情况下会导致锂离子电池爆炸。

　　锂离子电池如何充电和放电

　　动画：锂离子电池的充电和放电。

　　顾名思义，锂离子电池都是关于锂离子的运动： 当电池充电时(当它吸收能量时)，离子会向一个方向移动;当电池时，它们以相反的方式移动 放电(供电时)：

　　在充电过程中，锂离子(黄色圆圈)通过电解质(灰色)从正极(红色)流向负极(蓝色)。电子也从正极流向负极，但围绕外电路的路径更长。电子和离子在负极结合并在那里沉积锂。

　　当没有更多的离子流动时，电池已充满电并可以使用。

　　在放电过程中，离子通过电解质从负极流回正极。电子通过外电路从负极流向正极，为您的笔记本电脑供电。当离子和电子在正极结合时，锂沉积在那里。

　　当所有离子都移回时，电池完全放电，需要再次充电。

　　锂离子是如何储存的?

　　第二个动画更详细地显示了电池中发生的事情。再次，负极石墨电极(蓝色) 左图为正极氧化钴电极(红色)，锂离子用黄色圆圈表示。

　　动画：锂离子如何存储在负极石墨电极(左)和正氧化钴电极(右)中。

　　当电池充满电时，所有锂离子都存储在 石墨烯 (碳片一个原子厚)在石墨电极中(它们都向左移动)。在这种充电状态下，电池实际上是一个多层夹层：石墨烯层与锂离子层交替出现。当电池放电时，离子从石墨电极迁移到氧化钴电极(从左到右)。当它完全放电时，所有的锂离子都移动到右侧的氧化钴电极上。再一次，锂离子层层叠叠，位于钴离子(红色)和氧化离子(蓝色)层之间。当电池充电和放电时，锂离子从一个电极来回分流到另一个电极。

　　锂离子电池的优点

　　一般来说，锂离子电池比旧技术更可靠 如镍镉(NiCd，发音 “nicad”)，并且不会遇到称为“记忆”的问题 效果“(其中镍镉电池 出现 变得更难充电 除非他们先完全出院)。由于锂离子电池 不含镉(一种有毒的重金属)，它们也是(在 至少从理论上讲，对环境更好——尽管倾倒 任何电池(充满金属， 塑料, 和其他各种化学品)进入垃圾填埋场从来都不是一件好事。与 重型可充电电池(例如用于 启动汽车)，锂离子电池的能量相对较轻 商店。

　　锂离子电池一直在变得越来越好，因为 电动车 清楚地证明。轻量级锂离子电池首先被正确 用于开创性的特斯拉跑车的电动汽车，制造 从2008年到2012年。为6831个锂离子电池充电大约需要3.5小时， 它们的总重量高达半吨(1100磅)，可容纳53kWh的能量。 充满电后，他们为汽车提供了超过350公里(220英里)的续航里程。 较新的特斯拉具有更好的电池和更大的范围。 典型的特斯拉Model 3有一个75kWh的电池(能量是Roadster的一半) 只有4，416个电池 - 因此它们显然具有更高的能量密度 - 并且 航程为602公里(374英里)。

　　照片：开创性的特斯拉跑车。左：您可以看到黄色电源线正在为电池充电。 右：电池位于大隔间中，您可以在后轮正上方看到。 第一张照片： 特斯拉内部; 第二张照片 闪亮的新特斯拉. 两者都由Steve Jurvetson提供，于2007年在Flickr上发表在 知识共享 执照。

　　锂离子电池的缺点

　　能量密度

　　如果我们对锂离子电池的缺点感兴趣，重要的是要记住我们正在将它们进行比较。作为汽车的动力源，我们真的需要将它们与其他类型的电池进行比较，而不是 跟 汽油.尽管多年来取得了相当大的进步，但一公斤一公斤的可充电电池仍然只存储了普通气体的一小部分能量;用更科学的话来说，它们的能量密度要低得多(它们每单位重量存储的能量更少)。这也解释了为什么你可以在几分钟内完全“充电”(加油)一辆汽油动力汽车，而这通常需要你 小时 为电动汽车的电池充电。然后，您必须记住，这些缺点被其他优点所平衡，例如电动汽车的燃油经济性更高以及它们相对缺乏 空气污染 (车辆本身的尾气/废气零排放)。

　　安全

　　撇开车辆不谈，更广泛地考虑锂离子电池，有什么问题?最大的问题是 安全：如果锂离子电池过度充电或内部故障导致短路，它们会着火;在这两种情况下，电池都会在所谓的“热失控”中升温，最终着火或爆炸。这个问题可以通过内置断路器来解决，称为电流中断装置或CID，当电压达到最大值时，如果电池太热，或者其内部压力上升太高，它会杀死充电电流。

　　照片：如果锂离子 (Li-ion) 电池没有办法排出充电过程中产生的任何气体(主要是一氧化碳、二氧化碳和氢气，但也可能存在少量的其他有机气体)，它们可以像小垫子一样膨胀。这是来自手机的两个相同的电池，由于内部被困的气体，其中顶部的电池宽度几乎增加了一倍。

　　但仍然存在担忧，2016年，国际民用航空组织正式禁止在客机上运输锂离子电池，因为存在潜在危险。现在，锂电池的安全风险引起了很多媒体的关注 - 特别是当它们导致电动汽车或飞机发生火灾时 - 但值得记住的是 少 那里的事件已经给出了这项技术的普遍程度(你会发现锂离子电池在每个现代手机、笔记本电脑、平板电脑和大多数其他可充电小工具中)。而且，再一次，重要的是要记住替代品的风险：是的，电动汽车中的锂离子电池会着火，但汽油动力汽车更频繁地着火......并引起实际爆炸!其他类型的电池如果过热也会着火和爆炸，因此火灾并不是锂离子技术独有的问题。

　　解决方案是什么?目前由一家名为Ionic Materials的公司率先提出的一个有前途的选择是使用阻燃聚合物(固体 塑料)代替锂离子电池中常用的易燃液体电解质。锂离子电池背后的化学家约翰·古迪纳夫(John Goodenough)青睐的另一种选择， 是使用“掺杂”玻璃(经过处理以使其导电)代替电解质。时间会证明这些选择之一 - 或者完全是其他选择 - 是否会将锂离子电池从其作为世界的位置上推翻。 最喜欢的可充电技术。

　　插图：锂离子电池内部有一个电流中断装置 (CID)，以防止其过热。以下是它如何工作的一个例子。两个电池电极(绿色，12和14)位于一个外壳(浅蓝色，22)内，顶部有一个盖子(深蓝色，24)。其中一个电极(14)通过由三部分组成的CID(28)连接到其顶部端子(42)。有两个金属导电盘(红色，30和32)，它们之间有一个绝缘体(紫色，34)。通常，圆盘接触并允许电流从电极流向其端子。但是，如果电池过热并且内部压力积聚，则光盘将被推开并停止任何更多的电流流动。任何多余的排气口都通过外壳侧面的小缝隙(黄色，56)。艺术品来自 美国专利4，423，125：锂离子电池集成电流中断装置 由Phillip Partin等人，Boston-Power，Inc.提供，由美国专利商标局提供。

　　谁发明了锂离子电池?

　　方便、有用的锂离子电源组是 1970 年代由化学家在牛津大学开创的 约翰·古迪纳夫 以及他的同事菲尔·怀斯曼、水岛浩一和菲尔·琼斯。他们的研究发表于 1980 年，并由索尼转化为商业技术，索尼在 1990 年代初生产了第一批锂离子电池。从那时起，它们变得司空见惯：每年生产约50亿个(根据 彭博新闻社报道 从2013年开始)，其中大部分在中国。 锂离子电池技术的三位先驱——约翰·古迪纳夫(John Goodenough)、M·斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)和吉野明(Akira Yoshino)分享了 2019年诺贝尔化学奖 因为他们的开创性工作。 像所有科学家一样，他们的研究可以追溯到早期的发现;在这种情况下， 值得一提的是20世纪初美国化学家吉尔伯特·刘易斯(Gilbert Lewis)和他对锂电化学的研究。

　　手机：典型的锂离子电池。这个额定值为 3Wh，所以你需要 其中大约 25，000 个可以存储与您装入 75kWh (75，000Wh) 特斯拉 Model 3 汽车电池一样多的电能!

　　未来会怎样?

　　今天的锂离子充电设备比昨天的“镍卡”有很多优势， 但他们远未结束故事。正如我们已经看到的，存在令人讨厌的问题 就像“热失控”仍在寻求有效的解决方案。与此同时，飞速前进的步伐 之 气候变化 正在加速对更便宜、更安全、更节能和更环保的电池的需求，这些电池充电速度更快，并将更多的能量装入更小的空间。当你读到这些文字时，许多令人兴奋的研究正在进行中。 超快充石墨烯电池，由其他尖端产品制成 纳米材料，如碳纳米管,甚至一个 基于基因工程病毒 和 维生素，如黄素 可能会在不久的将来为您的计算机或智能手机供电!