人類社會的發展離不開能源，幾次工業革命的發展都依賴於儲能技術的發展。今天，鋰離子電池為全世界提供著電力，從智能手機到電動汽車，鋰離子電池已經無處不在，它為日益機動的世界掃平了障礙。
與其他商業化的可充放電池相比，鋰離子電池由於其具有能量密度高、循環壽命長、工作溫度範圍寬和安全可靠等優點，成為了各國科學家努力研究的重要方向。[1-2]
不同的電池技術在體積和重量能量密度方面的對比[2]
鋰離子電池是一種二次電池（可充電電池），主要由正極、負極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。在電池內部，帶電的原子，也被稱為離子，沿著兩個電極之間的路徑運動，並產生電流。
正在充電的鋰離子電池
鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經過電解液傳輸至負極，電子由負極經外電路轉移至正極；而在放電過程中，鋰離子和電子的運動方向則與充電過程相反。
在當前最常見的一種可反覆充放電的鋰離子電池中，其正極是鈷酸鋰材料，負極是碳材料。下面附上一個關於介紹鋰離子電池原理的影片，可以讓大家更好的了解鋰離子電池。
鋰離子電池：原理揭秘
1912年鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出並研究，但由於鋰金屬的化學性質非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存和使用對環境要求非常高，使得鋰電池長期沒有得到應用。
20世紀70年代，美國爆發石油危機，政府意識到對石油進口的過度依耐性，開始大力發展太陽能和風能。但由於太陽能和風能的間歇性特點，最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。此時，賓漢姆頓大學化學教授斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在紐約起草了鋰電池的初始設計方案，採用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成了首個新型鋰電池。
鋰離子電池是由鋰電池發展而來，隨著科學技術的發展，現在鋰離子電池已經成為了主流。
鋰離子電池的基本概念，始於1972 年米歇爾·阿曼德（M. Armand）等提出的“搖椅式”電池（rocking chair battery）。[3]
在鋰離子電池的研究中，正負極材料的研發，是鋰離子電池發展的關鍵所在，有五位傑出的科學家在此方面做出了重要的開創性貢獻，特別是美國奧斯汀得克薩斯大學機械工程及電子工程系教授約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）為現在商業化正極材料的發展做出了卓越的貢獻。[4]
約翰·班尼斯特·古迪納夫
他在57歲時建造了鋰離子電池的神經系統，鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料是他的智慧結晶。他的這一材料，幾乎存在於當前每一款流通的便攜式電子設備中。
另一個重要的正極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）也是他的重要貢獻之一。1997年，以他為主的研究群報導了磷酸鐵鋰可逆地遷入脫出鋰的特性。磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，不含任何對人體有害的重金屬元素。
作為鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料的發明人，古迪納夫在鋰離子電池領域聲名卓著，是名副其實的“鋰離子電池之父”。今年，已經96歲高齡的古迪納夫先生在Nature Electronics上刊文，回顧了可充電鋰離子電池的發明歷史，並對未來發展指明了路線。
商業鋰離子電池正負極材料的示意圖、主要發明人、發明時間[4]
正極材料的研究成果，最終指引日本名古屋市的旭化成公司（Asahi Kasei）以及名城大學的旭化成（Akira Yoshino）教授製備出了第一個可充電鋰離子電池：以鈷酸鋰作鋰源正極材料、石油焦作負極材料、六氟磷酸鋰（LiPF6）溶於丙烯碳酸酯（PC）和乙烯碳酸酯（EC）作電解液的可充放二次鋰離子電池。
這個電池成功應用到索尼公司最早期移動電話中，並在1991年開始商業化生產，標誌著鋰離子電池時代的到來。[5]
在這隨後的每天裡，世界各地的科學家們都在測試和開發更為高效和安全的鋰離子電池。
如今，鋰離子電池已經遍布在我們生活的方方面面——手機、電腦、電動車等，都離不開鋰離子電池。那麽在使用鋰離子電池，特別是手機電池時，我們應該注意哪些問題呢？（這個問題問得好）
1. 不要讓你們的手機電量耗盡甚至自動關機，因為這樣會損壞你的電池，而減少它的使用壽命。
當然，也不要通宵達旦一致對自己的手機充電，雖然現在的電池已經擁有了過度充放電保護電路，但是在有些電池中，還是有可能出現過度充電的情況，嚴重影響著電池的使用壽命。
2. 要避免在較低溫度和較高溫度的環境下使用手機等電子產品，因為電池內部是依靠化學反應進行充放電過程的，低溫會使相應的化學反應速率變慢，從而影響電量的變化。當然啦，高溫（高於40℃）情況下也是不建議使用的，也要避免接觸熱源和太陽的直接照射，比較高溫下電池內部的化學環境會發生一些不可逆的改變，嚴重影響著電池的容量。
科學家也在積極探索解決電池在高溫和低溫環境下使用的問題，相信在不久的將來，這一問題會得到很好的解決。
3. 要避免對你的手機等電子產品使用“暴力”，這樣很有可能造成電池的短路，從而產生泄露、發熱等危險。
鋰離子電池的發展還在不斷向前，甚至延伸出鈉離子電池等新的離子電池系列，開發高容量、高安全性和低成本的離子電池將一致是世界各國科學家奮鬥的目標。
出品 | 科普中國
製作 | 中科院物理所科學傳播協會
監製 | 中國科學院電腦網絡資訊中心
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參考文獻
1. Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657.
2. Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367.
3. Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980.
4. 李泓, 鋰離子電池基礎科學問題（XV）——總結和展望. 儲能科學與技術 2015, 4 (3), 306-318.
5. Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413.
編輯：可樂不加冰
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