阳极表面材料 - 究竟是什么限制了电池的容量？

　　三：电池的大问题之二，阳极表面材料

　　大家好，我又回来了。

　　如果你能坚持每行读下来一直读到这里，恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。

　　现在回顾上一部分的内容。啥么？？全忘了？？不就一句话么？由于不做功但是必不可少的电解质以及其他辅助材料的存在，电池的能量密度被稀释了。

　　这些额外重量到底有多少？？

　　电解质的重量一般占电池全重15%（链接找不到了）隔膜没查到。估计把外壳，外接电极之类的辅助材料都算上，总重应该不超过电池总重的50%。

　　不对啊，电池虽然掺‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的锂离子电池们的能量密度也就单质锂的1%左右。这到底又发生了什么？（这句式为何这么熟悉呢？）

　　喝点鲜橙多，让我们看看最常见的钴酸锂电池（Tesla Roadster）的电化学反应式。

　　醒醒啊！！化学不好没关系，不要晕倒啊！！都读到这里了，你也知道达主会归纳的呀！！

　　发生电子转移的其实只是一部分锂与钴，其它的元素均不参与电子转移。

　　然后我们做个小计算：单质锂的原子量为6.9，能贡献1个电子参与电子转移。氧化剂来自空气，不需要考虑。

　　钴酸锂电池的电池反应的反应物总分子量为98+72=170，但只能贡献半个电子参与电子转移。因为只有部分锂原子会发生反应。

　　假如我们认为这两个电子的做功是一致的，那么就可以估计一下这两种能量载体的能量密度之比了。

　　电池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /（1/6.9） =2.03% 电池完败。

　　考虑到电池有一半重量是辅助材料，我刚才没算进去。于是还得打个折。就剩下1%了。

　　所以能量密度就成了这样：锂 43.1MJ/Kg 锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg

　　呵呵呵呵呵呵呵……还跟得上么？？四则运算多简单呀。现在知道发生了什么了吧？？

　　现在你们是否明白 我为啥说：电池背后的化学限制了电池的能量密度。

　　接下来我们的问题是：为什么电池的化学反应要那么复杂，直接降低了电池的能量密度。

　　这个问题展开说会比较复杂，估计大部分人没耐心看完。所以先给个简单答案：

　　为了有序。

　　好了，没耐心的人，你们可以走了。下面真的很长，能读完的都不是一般人。

　　开始长篇之前再放张图：

　　剩下的同学们，是不是觉得这图很熟悉？其实还是锂电池的示意图，只是这回因阴极阳极的表面结构都显示出来了。大家有没有觉得它们都很整齐规矩啊？？

　　整齐规矩换个说法，有序。

　　为什么阴极阳极的表面结构都需要有序？因为要保证在充电/放电时，氧化还原反应只在阴极和阳极的表面发生，这样才能有电流。

　　我们先看石墨（C6）所在的阳极。

　　阳极的任务很简单，放电时保证锂原子（不是离子）都在阳极表面失去电子，充电时再把它们抓回来就好了。由于充电时阳极电压低，带正电的锂离子会自发向阳极移动，得到电子回归为锂原子。

　　似乎没有石墨什么事情啊？？

　　如果是一次性电池，确实不需要石墨。但如果是可充放电池，阳极表面材料不是石墨也会是其它物质。

　　别卖关子了，快说到底咋回事？？

　　急啥。这得仔细想想。充电时，锂离子会在阳极表面得到电子成为锂原子。然后呢？？

　　我们都知道 所有金属都是良好电子导体，锂是金属，所以锂是良好电子导体。于是先到阳极的锂原子成为了阳极的一部分，于是后到阳极的锂离子加入了前锂的行列。。。。

　　于是完全由锂原子构成的晶体出现了。这个过程，又称析晶。结果是锂晶体会刺穿隔膜到达阴极，于是电池短路报废了。

　　对于析晶这一现象，我们可以这么理解。

　　在充电过程中，我们对于锂离子的控制实际上很弱。我们只能保证锂离子会移动到阳极表面，但我们无法保证锂离子会均匀地分布在阳极表面。因此在没有外来约束条件下，充电时锂晶体会在阳极表面无序生长，形成枝晶 （dendritic crystal）。

　　所以一定要有个约束条件。要挖个坑让锂离子往里面跳。

　　这个坑的具体表现即为阳极表面的石墨材料。如上图所示，石墨层之间的空隙够大，足以容纳单个锂原子，但也只能容纳单个锂原子；然后石墨层与锂原子之间的物理吸附作用可以稳住锂原子，于是锂原子在没有外来电压时候也能安心待在阳极表面。

　　如此以来，锂原子便不会野蛮生长了。但能量密度也上不去了。