輕飄飄的金屬鋰

田音

鋰離子電池

我們通常所說(shuō)的手機(jī)電池和電動(dòng)車的電池指的就是液態(tài)鋰離子電池，它可以進(jìn)行充電。鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。還有一種以鋰制作的固態(tài)鋰金屬電池，它是常見的一次性酸性電池，不過現(xiàn)在一般都使用可充電的鋰離子電池。

從20世紀(jì)70年代開始，科學(xué)家致力于發(fā)現(xiàn)鋰作為電池材料的價(jià)值。通過最初的鋰電池不斷改良，1992年，日本索尼公司發(fā)明的可充電鋰離子電池被廣泛使用于手機(jī)電池當(dāng)中。現(xiàn)在，電動(dòng)交通工具、醫(yī)學(xué)設(shè)備、工程設(shè)備等大型電子設(shè)備也運(yùn)用了鋰離子電池。并且具有綠色環(huán)保特點(diǎn)的鋰電池發(fā)展前景仍然十分良好。

那么鋰為什么能成為科學(xué)家們的心頭之愛呢？

無(wú)可挑剔的鋰元素

鋰是一種銀白色的金屬元素，是活躍的堿金屬元素家族中的一員。不過與其他堿金屬元素相比，鋰的原子半徑是最小的，所以它的硬度最大、熔點(diǎn)最高，是當(dāng)下作為電池最好的金屬材料。

鋰位于元素周期表中的第3位，相對(duì)原子質(zhì)量非常小，是世界上密度最小、質(zhì)量最輕的金屬元素。例如我們的手機(jī)非常輕，原因之一是因?yàn)殇囯x子電池的質(zhì)量很輕；一輛電動(dòng)汽車的鋰離子電池大約是600千克，比4000千克的相同容量的普通酸性電池輕了許多，所以輕盈的鋰離子電池成為了電動(dòng)汽車的電池首選。

我們都知道，普通的酸性電池如鎳鎘電池和鎳氫電池都是有使用時(shí)長(zhǎng)限制的，例如家里的電視遙控器中的電池需要定期更換，那是因?yàn)椤半姵赜洃浶?yīng)”的緣故。電池記憶效應(yīng)指的是，如果電池使用時(shí)間過長(zhǎng)，電池中的電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)晶部分的電解質(zhì)就失去了作用，導(dǎo)致電池容量逐漸降低，最后電池?zé)o法正常使用。鋰離子電池沒有電池記憶效應(yīng)，它的工作流程就是放電-充電這兩個(gè)簡(jiǎn)單的過程。只要你需要充電的時(shí)候插上電源，電量足夠時(shí)后又可以繼續(xù)使用了。并且經(jīng)過科學(xué)家們的不斷優(yōu)化，鋰離子電池充滿電量的時(shí)間越來(lái)越短，閑置時(shí)消耗的電量也越來(lái)越少了。

許多金屬是有毒的，例如鉛、汞等，不過鋰對(duì)人體基本上是沒有危害的。實(shí)際上，大約在20世紀(jì)60年代的時(shí)候，醫(yī)學(xué)家會(huì)給躁郁癥患者服用碳酸鋰鹽，使他們的情緒穩(wěn)定下來(lái)。可見鋰對(duì)人類來(lái)說(shuō)是非常安全的。

進(jìn)化——固態(tài)鋰電池

鋰離子電池也是有缺點(diǎn)的：由于鋰離子電池中含有易燃的液態(tài)電解質(zhì)，有可能在使用過程中電解質(zhì)泄露發(fā)生危險(xiǎn)，所以鋰離子電池在出廠時(shí)必須要進(jìn)過嚴(yán)格的包裝；鋰離子電池在長(zhǎng)時(shí)間使用后也會(huì)發(fā)生容量變小的情況，并且因?yàn)槿菀装l(fā)熱，可能會(huì)引起爆炸。

所以科學(xué)家們計(jì)劃研發(fā)新的電池來(lái)替代鋰離子電池。最近豐田汽車發(fā)動(dòng)機(jī)公司宣稱將在2022年推出能長(zhǎng)時(shí)間供能的全固態(tài)鋰電池代替以往的液態(tài)鋰離子電池，可以讓電動(dòng)汽車最多行駛1000千米、手機(jī)不充電能使用一周。這一消息不禁讓人感慨，科技真的在不斷地改變我們的生活。

全固態(tài)鋰電池就是將原本鋰離子電池中的液態(tài)電解質(zhì)和隔膜替換為固態(tài)電解質(zhì)，使電池中的含有物全都變?yōu)楣虘B(tài)，并將鋰作為電池的負(fù)極材料。

你可能會(huì)好奇，鋰金屬活性那么高，為什么鋰離子電池不用鋰作為負(fù)極材料呢？在1970年，美國(guó)科學(xué)家埃克森制成的鋰離子電池是以金屬鋰作為負(fù)極材料的，但是在使用過程中他發(fā)現(xiàn)了一些問題。我們知道在充電過程中，負(fù)極是輸出電流的，負(fù)極上的材料會(huì)得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。如果將鋰作為負(fù)極材料，鋰在電解質(zhì)中發(fā)生還原反應(yīng)會(huì)形成樹枝狀的金屬鋰單質(zhì)——鋰枝晶，由于金屬鋰具有一定的硬度，尖銳的鋰枝晶如果生長(zhǎng)過長(zhǎng)的話，就有可能會(huì)刺破電池內(nèi)部用于隔絕電解質(zhì)的隔膜，電解質(zhì)一旦泄露，整個(gè)電池將無(wú)法使用。所以之后鋰離子電池不再使用鋰作為負(fù)極材料。全固態(tài)鋰電池由于電解質(zhì)是固態(tài)的，鋰枝晶受到阻礙就無(wú)法生長(zhǎng)。并且科學(xué)家們計(jì)劃的是用鋰合金而不是鋰作為負(fù)極材料，所以這個(gè)難題是可以克服的。

全固態(tài)鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于電池中的內(nèi)容物全部為固態(tài)，具有高安全性和熱穩(wěn)定性，并且不用像鋰離子電池一樣進(jìn)行嚴(yán)格封裝，大大提高了生產(chǎn)線效率；電池之間還可以進(jìn)行串聯(lián)，組成可以提供高電壓的單體電池，供大型工具使用。

全固態(tài)鋰電池還處于研發(fā)過程當(dāng)中，科學(xué)家們正努力尋電極材料和固態(tài)電解質(zhì)的最佳組合，這可是一個(gè)非常大的工程。全固態(tài)鋰電池如果能研發(fā)成功，那么我們的電動(dòng)汽車不僅可以續(xù)航1000千米，而且還可以提高汽車的最高駕駛速度，說(shuō)不定以后高速公路的加油站就會(huì)有電動(dòng)汽車的充電站了。