锂，这个从宇宙大爆炸就存在的物质你了解么？科普锂和锂离子电池

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大家好，今天我们这篇文章的主人公是锂和锂电池，确切的说是锂离子电池。

我的很多篇文章都是关于动力锂电池，从特斯拉4680到比亚迪刀片电池，从圆柱电芯到方块电芯再到软包电芯。但是始终没有把锂离子电池当做主角。

这也导致有些对锂离子电池不了解的读者在看文章的时候遇到了一些困惑，所以今天我们就科普一下锂和锂离子电池。

锂的历史

看过我文章的读者应该有所了解，我有时候会在文章中说一点儿大家平时可能接触不到的知识。

今天我们就先简单说说锂的历史。

锂是什么时候诞生的呢？

如果我们认同宇宙大爆炸理论的话（至少现在主流科学界是认可的），那么在宇宙大爆炸的最初几分钟内，锂就诞生了。

宇宙大爆炸发生后的1微秒，质子产生了。氢原子的原子核就是一个质子，所以氢原子核也就产生了。有了质子，也就有了中子（质子失去电子就是中子），然后就有了氘核（1个质子1个中子组合）。氘核捕获一个中子并通过β衰变把它变成质子，就形成了氦原子核（2个质子1个中子组合），这就是氦-3。然后是氦-4（2个质子2个中子组合），氦3和氦-4形成了铍-7（4个质子3个中子组合），铍-7又衰变成锂-7（3个质子4个中子组合）。氘和氦-4也能形成锂-6（3个质子3个中子组合），总之大爆炸就是这么魔幻，质子中子组合来组合去。

这一切都发生在137亿年前短短的几分钟内，时光冉冉，科学家今天只能通过对宇宙中各种元素的丰度进行观察，来验证大爆炸理论。而锂-6和锂-7在宇宙中的丰度，也给科学家提出了更多的质疑，让大爆炸理论持续受到挑战，然后再持续完善。

锂，在大爆炸理论下，就是宇宙中最古老的元素之一，它在地球诞生之日起，就蕴含在地壳中，静静的等待着为人类贡献自己的力量。

直到地球诞生50多亿年后，在1817年，瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森才最先发现了锂，人类才知道它的存在。1821年，布兰德采用电解法来电解氧化锂，获得了微量的纯锂。

锂的物理化学特性

锂是最轻的金属，它有多轻呢，密度仅为0.534g/cm3，人体的密度则是1.02 g/cm³，钢的密度约7.85g/cm3。假如一辆汽车是锂做的，那一个人就可以把它抬起来。

把金属锂放到水里，会有啥现象呢，首先它会漂在水面，然后会和水反应迅速产生氢气。

金属锂也会漂在任何油和液态烃中，所以为了避免氧化，金属锂要保存在凡士林里隔绝空气。

锂原子有三个质子，三个电子，其中两个电子在内电子层，一个电子在外电子层。

锂原子

锂对外层电子的引力很小，也就是说锂很容易失去外层电子变成一个相对稳定的带正电离子。

锂离子

同样的，锂在形成化合物以后，也不稳定，锂元素很容易从化合物中脱离形成锂离子，当然锂离子也容易再重新嵌入化合物中，其实嵌入后也还是离子态，但是整体不显电性。

磷酸铁锂嵌入和脱嵌

举个例子，把化合物比作古时候的中国，锂离子就像中国周边的少数民族一样，有的时候在边境搞搞事情，朝廷一派兵，就跑了，过几天再回来，然后再跑，周而复始。

而锂离子的这种活性，使得它成为了可充电电池的一个很好的材料。

锂电池

首先问世的是锂电池，这种电池的负极是锂金属，正极是二硫化钛。

大家看清楚，锂电池的负极是金属锂做成的。

锂电池

放电过程就是负极中的金属锂失去电子形成锂离子，锂离子在电解液中扩散到正极，正负极形成电势差，正极电势高。由于电池内部的隔膜是绝缘的，电子只能通过外电路到达正极，所以外电路就有电流，这就是锂电池放电过程。

充电过程类似，给锂电池接充电电源，正极电压高，所以带正电的锂离子在电压下脱离二硫化钛，并在电解液中扩散到负极，而正极在失去锂离子后多余的电子走外电路，最终外电路的电子到达负极金属锂，和锂离子结合，这就是锂电池充电过程。

金属锂做负极，有一个致命的问题，就是在反复充放电的过程中，负极会形成锂枝晶，这是啥东西呢，形象的说就像人年纪大了关节产生的骨刺。锂枝晶是致命的，它会穿过正负极之间的隔膜，导致电池内短路，起火甚至爆炸。

锂离子电池

因此，科学家在锂电池的道路上继续探索，终于发明了锂离子电池。

为什么叫锂离子电池呢？因为在整个电池中，没有金属锂存在，取而代之的是锂元素的化合物。

我们在上面说了，锂化合物中的锂离子很容易脱嵌出来，脱嵌出来以后，锂离子和电子结合就能够保存电量。

那锂离子脱嵌出来以后要呆在哪？必须得有一个能够容纳锂离子的缝隙才行，很幸运，我们有石墨。石墨的特殊结构使得它的内部有容纳原子的空间，而且石墨的层结构能保证锂离子嵌入后体积变化不大。

石墨结构

举个例子，石墨就像山崖上的一个个小凹坑，刚好能够容纳小鸟栖身。

锂离子电池是这样的：

正极由锂化合物构成，比如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等。在充电前，锂离子都存在于正极的锂化合物中，整体不显电性。

充电过程中，锂离子在外加电压下从化合物中脱嵌，通过电解液扩散，穿过隔膜嵌入到石墨的空隙中。锂化合物在失去了锂离子后带负电，其电子通过外电路到达负极，被石墨吸附，和锂离子中和。

放电的过程正好相反，负极的电子通过外电路到达正极，而锂离子通过电解液扩散到正极，并嵌入到化合物中。

锂离子就这样在正负极之间来回穿梭，而电子就在外电路中来回穿梭，他们一直在正极和负极重复着相遇、分开、再相遇、再分开的过程。

影响锂离子电池性能的因素

从上面的过程我们能够知道，电池的性能取决于活性锂离子的多少，还有锂离子嵌入脱嵌的速度。

有活性的锂离子越多，那么电池容量越大。锂离子嵌入脱嵌的速度越快，充放电电流就越大。

不管是正极材料，还是负极材料，在没有锂离子的情况下，一定要满足：

除了正负极材料，电解液、隔膜，以及正负极上面的SEI膜，还有电子离开正负极通向外电路的金属集电板，都会成为影响锂离子电池性能的因素。

每种材料，尤其是正极材料，在不同的温度环境下也会有不同的性能表现，都会影响电池的整体性能。

锂离子在嵌入和脱嵌的过程中，总是会有一些损失，日积月累，容量逐渐下降，不同的材料容量下降时间不同，所以电池寿命也不同。

锂离子电池是储能的，最怕的就是热失控，不同的正极材料的自燃温度是不一样的，比如三元锂电池的自燃温度为200℃，磷酸锂电池的自燃温度为500-800℃。所以不同的材料安全性也是截然不同的。

不同的正极材料，由于天然储量和开采难度不同，价格也不同，这也导致了锂离子电池的成本差别。比如钴作为一种稀有金属，成本就高，而磷酸铁锂成本就低。

锂资源现状

锂在地球中的含量排名27位，在地壳中约含0.0065%。锂其实并不是一种非常稀有的元素，光海水中的锂含量就超过两千亿吨，只是采集难度较大。

2019年全球已探明锂储量为1700万吨，其中智利860万吨；澳大利亚280万吨；阿根廷170万吨；中国100万吨；美国63万吨；加拿大37万吨。

目前全球50%的锂矿产能来源于澳大利亚，主要以锂矿石为主；40%的产能来源于南美，盐湖锂为主。

我国虽然锂储备量很多，但80%是盐湖锂为主，而且纯度不如南美，提取工艺难度和成本就较高。2020年7月，报道了一个新闻，云南省发现预测资源量达489万吨的锂矿，但这只是科研性示范勘查。

所以，锂矿至少在目前，还是一个依赖进口的行业，而且主导权在澳大利亚。考虑到近期铁矿石的涨价，以及后续新能源行业的快速发展，我国对锂资源的依赖性可想而知。

当然，内资企业也已经早早就行动了，包括天齐锂业、赣锋锂业等都在澳洲、南美对国外锂资源进行大规模的投资。

锂，这个古老的元素，在人类探索新能源的路上，默默的奉献着。

锂资源，伴随着新能源行业的崛起，也将迎来新一轮挑战！

为什么目前新能源电池，都包含了锂元素？锂元素是必不可少的吗？

先回答第二个问题，锂元素在电池中不是必不可少的。很多电池都不含锂，比如锌锰干电池、锌-氧化银电池、铅酸电池、镍氢电池。目前所有的新能源电池都用到了锂元素，这其实是由新能源自身的应用场景决定的。新能源领域主要指的是新能源汽车，那么让我们想一想新能源汽车对电池有什么要求。新能源汽车需要背着电池一起跑，这就要求电池的体积要小（电池太大了就装不下多少乘客了），重量要轻（电池太重了汽车也就跑不远），能储存尽可能多的电能（电池存储的电能越多汽车就能跑得越远），循环寿命长（汽车报废了电池才能报废）。目前满足这几个要求的只有锂离子电池，也就是磷酸铁锂电池、三元材料电池。

首先，在所有已商用的电池中，锂离子电池的能量密度（单位体积所存储的电能）和比能量（单位质量所存储的电能）是最高的。其次，锂离子电池的循环寿命很长，现在优秀的三元材料电池循环寿命已经可以达到3000次以上，磷酸铁锂电池可以达到上万次，一天一充的话分别可以用8年和27年。至于为什么锂离子电池具有很高的能量密度和比能量，这是因为：1.金属锂具有最低的电极电位，同时它与负极上的石墨形成的锂碳化合物也具有很低的电极电位，这样使得锂离子电池的电压非常高，磷酸铁锂电池高达3.2V，三元材料电池高达3.6V，比锌锰干电池的1.5V和铅酸电池的2V高多了；2.磷酸铁锂和三元材料具有很高的容量，也就是能存储大量的锂离子；3.锂是密度最低的金属。这三个因素综合下来，就使得锂离子电池具有极高的能量密度和比能量。

by 重光

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