谈到锂电池,吃瓜群众可能第一反应是一些电子设备。这个反应其实是对的,群众的眼睛是雪亮的。世界第一款成功商业化锂离子电池就是由日本索尼公司在1992年推出的,后来被应用于各种随身电子设备中。

那么为什么叫锂离子电池?因为这种电池的正负极材料为锂离子提供了一个温馨的小窝,让它们在家休息(充电状态)和工作(放电状态)的时候,不怕外面电解液的风吹雨打,保持它们激情饱满的状态(离子态),多有安全感!特别是锂离子电池的负极材料——结构超稳定的石墨材料,一看就是大开发商做的房(如图1),能让锂离子在反复的嵌入脱出过程中不用担心房子质量问题,不怕楼会垮。楼垮了会发生什么?活泼的锂离子们会无家可归,暴露在电解液中,与电解液发生副反应(中毒),然后,就没有然后了。锂离子们会与电解液中的成分反应生成没有电化学活性的有机/无机物,亲,赶紧给你的手机换电池吧……所以说,石墨负极,第一次让锂离子们在电池负极端有了家的感觉。

看到这里你可能会觉得石墨材料就是锂电池负极的MVP了,那你就被套路了!今天,我们要讨论的锂金属负极,才是真正的低调王者!
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其实早在索尼公司推出锂离子电池之前,1958年美国加州大学的一名研究生就提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的设想,经此之后,人们就开始了以锂金属为负极的锂电池研究。这段数十年的时间,人们发现锂金属负极在工作时,虽然其表面不像石墨负极那样为锂离子们准备好了住的房间,但会天然形成一层固态电解质界面膜(SEI膜,图2),为通过的锂离子们提供一个躲雨的地方,防止沉积过程中形成的锂金属被电解液腐蚀。

但是,随着沉积的锂金属越来越多,地方变得拥挤了(没办法,没房么,混着住呗),同时会产生极度不均匀的锂金属表面形貌,行业中称这种现象为锂枝晶生长。更加可怕的是,锂离子们特别喜欢在有锂枝晶的地方扎堆,让局部的锂枝晶越长越大,最终撑破SEI膜。当这种情况发生的时候,悲催的一部分锂金属被暴露在充满电解液的世界,就像坐着火箭的人冲出大气层,却忘了穿宇航服,直接就“立地成佛”了。

如果说牺牲一小部分的锂金属换来世界的和平,那也值了,可是总有那么几根锂枝晶,一开始野蛮生长就回不了头了,直至刺穿整个电池的隔膜(分离正负极的绝缘层)到达世界的尽头,引发正负极直接亲密互撩,这强大的爱情电流会造成电池内部的短路,你会发现生活不止眼前的苟且,还有火灾与爆炸……发生这样的事,大家都不想的,电池嘛,最重要的就是安全啦。

于是,在上世纪80年代第一代锂金属商业电池爆了那么几次以后,科学家们果断放弃了锂金属负极而使用石墨负极(本文开头说的那东西),锂金属电池也悄然退居幕后。