專題
[摘要]鋰離子電池花幾十年的時間才得以完善，直到幾十年后，我們才認識到它們的全部潛力。
鋰離子電池花幾十年的時間才得以完善，直到幾十年后，我們才認識到它們的全部潛力。如今，鋰離子電池為世界各地的手機、筆記本電腦、醫療器械和電動汽車提供動力。鋰離子電池也支持可再生能源，因為它們可以儲存來自風能和太陽能等間歇性能源的能量。在整個開發過程中，鋰離子電池向科學家們提出了挑戰，要求最大限度地提高電池性能，同時降低不良反應的風險。現今的電池科學家必須在以往成果的基礎上再接再厲，同時改進電池特性，推動領先應用領域的進步。
鋰離子電池簡史
由于鋰離子電池技術的重要性，2019 年諾貝爾化學獎授予科學家 John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino，以表彰他們在鋰離子電池開發領域作出的貢獻。每位科學家都對先進鋰離子電池的發現做出了巨大貢獻，直到它們成為我們現今所知道的廣泛使用的形式。他們從鋰元素（原子序數為 3）開始，鋰元素有一個未配對的電子，它往往會失去并變成帶正電的離子。這種失去電子的傾向為電池應用提供巨大的潛力，并使電能通過電芯從陽極流向陰極。鋰離子的高能量密度也是手機和筆記本電腦等小型便攜設備的理想選擇。最后，鋰離子在充電過程中很容易向負極移動，利于充電。諾貝爾化學獎得主成功地利用了鋰離子的優勢，并率先提出了在控制材料揮發性的同時利用本身能量的解決方案。
Wittingam 在 20世紀70年代中期發現了二硫化鈦可作為電池正極，并首次完成現代鋰離子電池的雛形。Wittingham 的電池提供令人印象深刻的 2 伏電壓，但很容易自發起火。在 20世紀80年代，Goodenough 用鈷酸鋰代替二硫化鈦，電池的容量因此提升到 4 伏，但易燃性問題仍然存在。80 年代后期，Yoshino 用石油焦代替鋰金屬負極，在保持高電壓的同時使電池更安全。
他們發現的鋰離子電池重量輕、可再充電，而且電力強大。他們的電池使移動電子產品、電動汽車和自行車的實現成為可能。當然，正如諾貝爾委員會成員所說，科學進步永遠不會結束。研究人員將繼續改進鋰離子電池技術，其他電池技術可能很快就會加入鋰離子電池的行列，實現可再充電、可再生能源的轉變。
鋰離子電池的新需求
現今的電池開發人員仍然像上面提到的三位鋰離子電池發明者一樣，肩負著平衡安全性和功率的任務。然而，由于我們使用電池的方式，其他因素已成為焦點。
消費電子產品制造商最關心的是鋰離子電池的能量密度，或者說鋰離子電池能夠以輕量形式儲存多少能量。手機和筆記本電腦制造商一直在尋找可以容納更多電量的電池升級，同時繼續制造輕巧的可攜式產品。他們也強調電池續航時間，這樣消費者一次充電就可以使用更長的時間。
電動汽車最注重續航時間—如果電動汽車的充電頻率高于燃料汽車所需的汽油，電動汽車對消費者來說就不是一項有吸引力的投資。此外，電動巴士、貨運卡車和航空需要更長的續航時間。電力運輸還需要強大的循環壽命，這樣他們的鋰離子電池可以在性能退化和容量衰減之前充電數千次。
鋰離子電池愈來愈廣泛用于綠色能源儲存應用。在這種容量下，鋰離子電池需要具有較長的循環壽命才能最大限度地發揮影響。這些電池不需要是便攜式，它們將保持在發電設備附近，而且這些電池將經常通過風能和太陽能充電，不需要很長的續航時間，因為在所有應用領域，鋰離子電池都需要確保安全無虞。無論是在倉庫中儲存風力渦輪機的能量，還是為您的電動汽車提供動力，鋰離子電池都不會由于高易燃性而危及我們的環境或使用者。
優化創新鋰離子電池設計
鋰離子電池科學家不再簡單地重復過去的成功，需要滿足愈來愈多的需求，。新電池需要超越以前的能力，同時提高效能和安全性。
鋰離子電池安全的最大威脅是熱量。電池組件過熱，無論是環境溫度過高還是內部電化學反應引起，都可能導致熱失控反應并導致災難性故障或燃燒。因此，電池研究人員轉向通過熱分析測量電池在很寬的溫度范圍內的性能。熱分析數據支撐材料選擇、設計或添加劑修改，以實現最安全的配置。
其他流行的鋰離子電池材料分析儀器包括流變儀和微量熱儀。流變學是對材料流動和變形的研究。流變儀可幫助科學家制造出具有理想黏度的漿料和電極涂層，以實現最佳儲存、混合、涂層和干燥。微量熱法可測量電化學或物理化學過程中產生的最小熱量。微量熱儀可幫助電池開發人員優化熱管理、結構演變、以及熱量與寄生反應的隔離。
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