轻飘飘的金属锂

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发布时间:2022-09-28 浏览次数:381

锂离子电池

我们通常所说的手机电池和电动车的电池指的就是液态锂离子电池,它可以进行充电。锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。还有一种以锂制作的固态锂金属电池,它是常见的一次性酸性电池,不过现在一般都使用可充电的锂离子电池。

从20世纪70年代开始,科学家致力于发现锂作为电池材料的价值。通过最初的锂电池不断改良,1992年,日本索尼公司发明的可充电锂离子电池被广泛使用于手机电池当中。现在,电动交通工具、医学设备、工程设备等大型电子设备也运用了锂离子电池。并且具有绿色环保特点的锂电池发展前景仍然十分良好。


那么锂为什么能成为科学家们的心头之爱呢?



无可挑剔的锂元素

锂是一种银白色的金属元素,是活跃的碱金属元素家族中的一员。不过与其他碱金属元素相比,锂的原子半径是最小的,所以它的硬度最大、熔点最高,是当下作为电池最好的金属材料。

锂位于元素周期表中的第3位,相对原子质量非常小,是世界上密度最小、质量最轻的金属元素。例如我们的手机非常轻,原因之一是因为锂离子电池的质量很轻;一辆电动汽车的锂离子电池大约是600千克,比4000千克的相同容量的普通酸性电池轻了许多,所以轻盈的锂离子电池成为了电动汽车的电池首选。

我们都知道,普通的酸性电池如镍镉电池和镍氢电池都是有使用时长限制的,例如家里的电视遥控器中的电池需要定期更换,那是因为“电池记忆效应”的缘故。电池记忆效应指的是,如果电池使用时间过长,电池中的电解质会产生结晶,结晶部分的电解质就失去了作用,导致电池容量逐渐降低,最后电池无法正常使用。锂离子电池没有电池记忆效应,它的工作流程就是放电-充电这两个简单的过程。只要你需要充电的时候插上电源,电量足够时后又可以继续使用了。并且经过科学家们的不断优化,锂离子电池充满电量的时间越来越短,闲置时消耗的电量也越来越少了。



许多金属是有毒的,例如铅、汞等,不过锂对人体基本上是没有危害的。实际上,大约在20世纪60年代的时候,医学家会给躁郁症患者服用碳酸锂盐,使他们的情绪稳定下来。可见锂对人类来说是非常安全的。

进化——固态锂电池

锂离子电池也是有缺点的:由于锂离子电池中含有易燃的液态电解质,有可能在使用过程中电解质泄露发生危险,所以锂离子电池在出厂时必须要进过严格的包装;锂离子电池在长时间使用后也会发生容量变小的情况,并且因为容易发热,可能会引起爆炸。

所以科学家们计划研发新的电池来替代锂离子电池。最近丰田汽车发动机公司宣称将在2022年推出能长时间供能的全固态锂电池代替以往的液态锂离子电池,可以让电动汽车最多行驶1000千米、手机不充电能使用一周。这一消息不禁让人感慨,科技真的在不断地改变我们的生活。


全固态锂电池就是将原本锂离子电池中的液态电解质和隔膜替换为固态电解质,使电池中的含有物全都变为固态,并将锂作为电池的负极材料。



你可能会好奇,锂金属活性那么高,为什么锂离子电池不用锂作为负极材料呢?在1970年,美国科学家埃克森制成的锂离子电池是以金属锂作为负极材料的,但是在使用过程中他发现了一些问题。我们知道在充电过程中,负极是输出电流的,负极上的材料会得到电子发生还原反应。如果将锂作为负极材料,锂在电解质中发生还原反应会形成树枝状的金属锂单质——锂枝晶,由于金属锂具有一定的硬度,尖锐的锂枝晶如果生长过长的话,就有可能会刺破电池内部用于隔绝电解质的隔膜,电解质一旦泄露,整个电池将无法使用。所以之后锂离子电池不再使用锂作为负极材料。全固态锂电池由于电解质是固态的,锂枝晶受到阻碍就无法生长。并且科学家们计划的是用锂合金而不是锂作为负极材料,所以这个难题是可以克服的。


全固态锂电池具有以下优点:由于电池中的内容物全部为固态,具有高安全性和热稳定性,并且不用像锂离子电池一样进行严格封装,大大提高了生产线效率;电池之间还可以进行串联,组成可以提供高电压的单体电池,供大型工具使用。

全固态锂电池还处于研发过程当中,科学家们正努力寻电极材料和固态电解质的最佳组合,这可是一个非常大的工程。全固态锂电池如果能研发成功,那么我们的电动汽车不仅可以续航1000千米,而且还可以提高汽车的最高驾驶速度,说不定以后高速公路的加油站就会有电动汽车的充电站了。

本文来源:大科技  作者:大科技   仅用于分享。如有侵权,请联系hq13379078029@163.com修改删除。
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