锂离子电池开始一路狂奔，走近动力电池

文／陈根

1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了人类历史上的第一个电池——伏特堆。这一用锌片（阳极）和铜片（阴极）以及浸湿盐水的纸片（电解液）制成的最初的电池，证明了电的人为制造可能性。

自此，电池作为能够提供持续而稳定电流的装置，经历了200余年的发展，不断满足人们对电力灵活运用的需求。

近年来，随着对可再生能源利用的巨大需求和对环境污染问题的日益关注，以锂电池为代表的二次电池（可充电电池或蓄电池）——这种能够将其他形式能量转换成的电能，并预先以化学能的形式存储下来的储能技术，持续革新着能源系统。

锂电池的成长从另一个侧面昭示着社会的进步。事实上，不论是手机、电脑、相机，还是电动汽车，都是基于锂电池技术的成熟才得到快速的发展。

锂电池的诞生

电池有正负两极。正极也就是阴极，常用较为稳定的材料制作，而负极也就是阳极，常用“活性较高”的金属材料制作。正负极通过电解质进行隔离，并将电能以化学能的形式储存于两极之中。

两极之间发生的化学反应产生离子和电子，离子在电池内部传递，并逼迫电子在电池外部传递，形成回路，从而产生电能。

20世纪70年代，美国爆发石油危机，加上军事、航空、医药等领域对电源的新的要求，推动了可充电电池来储存可再生清洁能源的探索。

在所有金属中，锂的比重极小、电极电势极低。也就是说，理论上，锂电池体系能获得最大的能量密度。因此，锂顺理成章地进入了电池设计者的视野。

但是由于锂活性的过高，所以遇到水或者空气都可能发生剧烈反应以至于燃烧和爆炸，因此如何“驯服”锂成为了电池发展的关键。此外，锂在室温下容易与水反应，如果要让锂金属应用在电池体系中，非水电解质的引入非常关键。

1958年，Harris提出采用有机电解质作为金属原电池的电解质。1962年，来自美国军方LockheedMissile和SpaceCo．的ChiltonJr．和Cook提出“锂非水电解质体系”的设想。

Chilton 和Cook设计了一种新型的电池使用锂金属作为负极，Ag，Cu，Ni等卤化物作为正极，低熔点金属盐LiC1－AlCl3溶解在丙烯碳酸酯中作为电解液。尽管该电池存在的诸多问题使它停留在概念上，未能实现商品化，但Chilton和Cook的工作还是开启了锂电池研究的序幕。

1970年，日本松下电器公司与美国军方几乎同时独立合成出新型正极材料——碳氟化物。松下电器成功制备了分子表达式为（CFx）n（0．5≤x≤1）的结晶碳氟化物，将它作为锂原电池正极。氟化锂原电池发明是锂电池发展史上的重要一步，第一次将“嵌入化合物”引入到锂电池设计中。

然而，要想实现锂电池可逆充放电，关键在于化学反应的可逆性。彼时，不可充电电池大多采用锂负极和有机电解液。于是，为了实现可重复充电电池，科学家们开始致力于将锂离子可逆嵌入层状过渡金属硫化物正极。

埃克森美孚公司的Stanley Whittingham发现，以层状TiS2作为正极材料测插层化学可以实现可逆充放电，放电产物为LiTiS2。

1976年，Whittingham开发的这种电池实现了良好的初次效率。但经过重复充放电几次之后，由于电池内部形成锂枝晶，枝晶从负极生长到正极，形成短路，造成点燃电解质的风险而最终失败。

此外，1989年，因为Li／Mo2二次电池发生起火事故，除少数公司外，大部分企业都退出金属锂二次电池的开发。因为无法解决的安全问题，锂金属二次电池研发基本停顿。

鉴于各种改良方案不奏效，锂金属二次电池研究停滞不前。最终，研究人员选择了颠覆性方案，即摇椅式电池，让锂二次电池的正负极均由嵌入化合物充当。

20世纪80年代，Goodenough正在英国牛津大学对层状LiCoO2和LiNiO2正极材料结构进行研究。最终，研究人员实现了一半以上的锂从正极材料上可逆脱嵌。这一成果最终催生了锂离子电池的诞生。

1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂）。由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点，锂电池最终实现商业化，在市场得以广泛使用。