这是电池正极材料充放电时结构变化的示意图。这里的M代表金属原子,X代表氧原子。这张图的各种原子的大小比例不要当真。锂离子要比另外两个都小很多。
我们可以看到,MX2们在正极基底上形成了几层很规整(很有序)的结构,放电时,电子在正极(正极)聚集,锂离子向正极移动,穿插进入MX2结构的空隙,从而有序的分布在正极表面。MX2中的金属离子得到电子被还原,从而起到氧化剂的作用。
然而这张图实际上包含了另一个大问题。
大家有没有觉得两边的结构图看上去特别的豆腐渣??就像下面这样。
如果你玩过层层叠这种类型的游戏,估计会知道,总有那么几块积木,看上去无关紧要,但只要一动。。。。就成下面这样子了。
这个结构一旦坍塌,不可能自己恢复的。
怎么办?适可而止,见好就收。套在电池正极这方面来说的话,那就是正极表面必须保持一定量的锂离子来维持结构的完整。这个一定量,一般是50%。所以,即使是在充满电的状态下,还有近一半的锂离子停留在正极表面。于是能量密度更低了。
题外话:这也是为啥锂电池很怕过度充电,一旦过度充电,阴极的锂离子跑光了,这堆积木就要塌方了。
四、电池的第四大问题:材料选择上的捉襟见肘
我假设看到这里的人完全理解了可充放电池设计上的种种限制:为了有序的电子转移,为了有序的锂离子与锂原子的分布,电池需要电解质以及各种辅助材料,需要在阴极阳极表面有规整的结构,而这些都是以能量密度为代价的。
再回头想想你最初的那些看法:
1)电池技术太弱了?这些设计多么巧妙,明明是人类智慧之大成。
2)电池技术大有可为?对于未来的展望,我们必须有一个现实的态度。电池技术已经发展了百余年,早就过了爆发期;支持电池技术发展的理论科学为物理与化学,它们的理论大发展大突破都是在二战前就已经结束了。可预见未来的电池技术,必然是基于现在的电池的发展。