鉅大LARGE | 點擊量：836次 | 2022年02月15日
眼花繚亂的鋰離子電池黑科技，原理萬變不離其宗？
人類社會使用能源的歷程，從40億年前到200年前工業革命，都是使用的光合作用；而瓦特發明蒸汽機，二次工業革命的內燃機，人類開始使用煤炭和石油等化石能源。而到最近，人類對能源講究綜合利用，要求對能源高效的采集、儲存、運輸。
而人類采集所有能源，都首先轉化為電能。儲存電能成為利用能源的重中之重，其中又以電化學裝置為主，從電容器到電池，到燃料電池，再到超級電容器。不同的應用會使用不同的電化學裝置。
盧云峰教授在“智慧能源國際論壇”講到，電池的種類是五花八門，但目的其實殊途同歸，都是想把功率做大、能力密度做高，壽命做長。那如何把電池做好？回到自然界就明白，因為光合作用就是地球上最最原始的能量轉換過程。
陽光在葉綠素上將水分解為電子和質子，電子有電子通道，質子有質子通道。通過內部合成，把二氧化碳變成碳氫材料。這個過程中最重要的就是要有相互獨立的質子、電子通道。
這個對鋰電池來說也是一樣，鋰離子電池最早就是磷酸鐵鋰對石墨。負極用石墨，正極用磷酸鐵鋰。放電時，嵌在石墨里頭的鋰失去電子，變成鋰離子，跑出來與磷酸鐵變成磷酸鐵鋰。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而鋰離子和電子的關系是相互依存的，沒有電子就沒有離子，沒有離子就沒有電子，兩者之間速度慢者決定了電池的功率。此外，鋰離子通道和導電線路的穩定性影響著電池壽命。
從這過程可以看出來，要把鋰離子電池做成能量密度高，功率高，壽命也長的電池，建立高效穩定的離子電子通道很重要。
而建立高效獨立的離子電子通道可以從材料上下功夫。鋰離子電池材料一般導電性不佳，而涂炭可增加導電性；鋰離子的通導性也不夠好，則可以把顆粒做小，如此一來，鋰離子不用移動過長的距離，這也是為何市場上鋰電池電極材料越做越小的原因，此外，小顆粒能讓結構更加穩定。
目前對鋰電池的科研方向，大多也是如此。對于電極材料需要導離子，也需要導電子。科研的解決方案，一個是用石墨烯，一個是用碳管，當然也可以用其他的碳合材料。然后把材料做成納米顆粒，或者納米線再與碳管復合在一起，如此就實現了導電子導離子的過程，同時還能把結構做的很穩定。
以納米線為例，納米線與與碳管交叉在一起的復合結構，導電性非常好，是用于超級電容的絕佳材料。為了讓導離子的速度更快，還采用用了五氧化二釩，它是一種層狀材料，本身就擁有很大的空間，而我們可以把層間距進一步從0.35納米擴大到0.45納米，這樣鋰離子跑的更快。這種復合物不僅可以作為超級電容的材料，還能作為鈉電池、鈉電容的材料。畢竟鈉比較便宜，儲量也遠多于鋰。
納米顆粒也是殊途同歸，但研究的更多。除了將納米顆粒與碳管直接混合，還有一種方法就是將很小的納米顆粒，做成球型和碳管組裝起來。這樣的結構，能使電池的倍率更高，壽命更長。
值得一提的是，納米顆粒很多時候都是做成親油性的，也就是天然斥水。而另一種則是親水，這就需要特殊的處理辦法。通常情況下的碳管容易吸附丙烯酸，那在納米顆粒與碳管復合時就可以先讓碳管吸附一點丙烯酸。
此外，還有一種更簡單的方法叫噴霧干燥。也就是把納米顆粒、碳管或者導電的東西，直接進行噴霧干燥，做成一個個顆粒。這樣有一個好處就是，在噴霧過程中，碳管會伸出來和氧化鐵之類的材料形成一種特殊結構，使得材料外部不導電，而內部卻有良好的導電性。這個技術原理跟噴霧奶粉一樣，極易工業化。
電池材料不僅有正負極，電解液也是極為關鍵的。目前科研人員研究出了一種添加劑，能實現電解液中的負離子不動，只有正離子移動，如此一來，鋰離子移動速度將成幾何倍數的提高，電池可以高倍率的充放電，實現快充。
