文／陳根

1800年，意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏特發(fā)明了人類(lèi)歷史上的第一個(gè)電池——伏特堆。這一用鋅片（陽(yáng)極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成的最初的電池，證明了電的人為制造可能性。

自此，電池作為能夠供應(yīng)持續(xù)而穩(wěn)定電流的裝置，經(jīng)歷了200余年的發(fā)展，不斷滿足人們對(duì)電力靈活運(yùn)用的需求。

近年來(lái)，隨著對(duì)可再生能源利用的巨大需求和對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益關(guān)注，以鋰離子電池為代表的二次電池（可充電電池或蓄電池）——這種能夠?qū)⑵渌问侥芰哭D(zhuǎn)換成的電能，并預(yù)先以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)下來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)，持續(xù)革新著能源系統(tǒng)。

鋰離子電池的成長(zhǎng)從另一個(gè)側(cè)面昭示著社會(huì)的進(jìn)步。事實(shí)上，不論是手機(jī)、電腦、相機(jī)，還是電動(dòng)汽車(chē)，都是基于鋰離子電池技術(shù)的成熟才得到快速的發(fā)展。

鋰離子電池的誕生

電池有正負(fù)兩極。正極也就是陰極，常用較為穩(wěn)定的材料制作，而負(fù)極也就是陽(yáng)極，常用“活性較高”的金屬材料制作。正負(fù)極通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)行隔離，并將電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存于兩極之中。

兩極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)離子和電子，離子在電池內(nèi)部傳遞，并逼迫電子在電池外部傳遞，形成回路，從而出現(xiàn)電能。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)爆發(fā)石油危機(jī)，加上特種、特種、醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男碌囊螅苿?dòng)了可充電電池來(lái)儲(chǔ)存可再生清潔能源的探索。

在所有金屬中，鋰的比重極小、電極電勢(shì)極低。也就是說(shuō)，理論上，鋰離子電池體系能獲得最大的能量密度。因此，鋰順理成章地進(jìn)入了電池設(shè)計(jì)者的視野。

但是由于鋰活性的過(guò)高，所以遇到水或者空氣都可能發(fā)生劇烈反應(yīng)以至于燃燒和爆炸，因此如何“馴服”鋰成為了電池發(fā)展的關(guān)鍵。此外，鋰在室溫下容易與水反應(yīng)，假如要讓鋰金屬應(yīng)用在電池體系中，非水電解質(zhì)的引入非常關(guān)鍵。

1958年，Harris提出采用有機(jī)電解質(zhì)作為金屬原電池的電解質(zhì)。1962年，來(lái)自美國(guó)軍方LockheedMissile和SpaceCo．的ChiltonJr．和Cook提出“鋰非水電解質(zhì)體系”的設(shè)想。

Chilton和Cook設(shè)計(jì)了一種新型的電池使用鋰金屬作為負(fù)極，Ag，Cu，Ni等鹵化物作為正極，低熔點(diǎn)金屬鹽LiC1－AlCl3溶解在丙烯碳酸酯中作為電解液。盡管該電池存在的諸多問(wèn)題使它停留在概念上，未能實(shí)現(xiàn)商品化，但Chilton和Cook的工作還是開(kāi)啟了鋰離子電池研究的序幕。

1970年，日本松下電器公司與美國(guó)軍方幾乎同時(shí)獨(dú)立合成出新型正極材料——碳氟化物。松下電器成功制備了分子表達(dá)式為（CFx）n（0．5≤x≤1）的結(jié)晶碳氟化物，將它作為鋰原電池正極。氟化鋰原電池發(fā)明是鋰離子電池發(fā)展史上的重要一步，第一次將“嵌入化合物”引入到鋰離子電池設(shè)計(jì)中。

然而，要想實(shí)現(xiàn)鋰離子電池可逆充放電，關(guān)鍵在于化學(xué)反應(yīng)的可逆性。彼時(shí)，不可充電電池大多采用鋰負(fù)極和有機(jī)電解液。于是，為了實(shí)現(xiàn)可重復(fù)充電電池，科學(xué)家們開(kāi)始致力于將鋰離子可逆嵌入層狀過(guò)渡金屬硫化物正極。

埃克森美孚公司的StanleyWhittingham發(fā)現(xiàn)，以層狀TiS2作為正極材料測(cè)插層化學(xué)可以實(shí)現(xiàn)可逆充放電，放電產(chǎn)物為L(zhǎng)iTiS2。

1976年，Whittingham開(kāi)發(fā)的這種電池實(shí)現(xiàn)了良好的初次效率。但經(jīng)過(guò)重復(fù)充放電幾次之后，由于電池內(nèi)部形成鋰枝晶，枝晶從負(fù)極生長(zhǎng)到正極，形成短路，造成點(diǎn)燃電解質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)而最終失敗。

此外，1989年，因?yàn)長(zhǎng)i／Mo2二次電池發(fā)生起火事故，除少數(shù)公司外，大部分公司都退出金屬鋰二次電池的開(kāi)發(fā)。因?yàn)闊o(wú)法解決的安全問(wèn)題，鋰金屬二次電池研發(fā)基本停頓。

鑒于各種改良方法不奏效，鋰金屬二次電池研究停滯不前。最終，研究人員選擇了顛覆性方法，即搖椅式電池，讓鋰二次電池的正負(fù)極均由嵌入化合物充當(dāng)。

20世紀(jì)80年代，Goodenough正在英國(guó)牛津大學(xué)對(duì)層狀LiCoO2和LiNiO2正極材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。最終，研究人員實(shí)現(xiàn)了一半以上的鋰從正極材料上可逆脫嵌。這一成果最終催生了鋰離子電池的誕生。

1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽(yáng)極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機(jī)溶劑）。由于鋰離子電池的高能量密度和配方不同能夠適應(yīng)不同使用環(huán)境的特點(diǎn)，鋰離子電池最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在市場(chǎng)得以廣泛使用。