锂离子电池发展前沿漫谈上
锂离子电池发展前沿漫谈（上）
综述：主要介绍锂离子电池的工作原理和类别，重点介绍磷酸铁锂电池、三元锂电池、刀片电池、固态电池，以及钠离子电池。
一、锂离子电池工作原理
电池的负极材料是提供电子的一极，电池工作的时候，电子从负极流出来，经过外部线路流到正极。在电池体积不变的情况下，要提高电池的能量密度，电池的负极材料最好选用分子量较小、能释放出较多电子的物质。
比如：氢分子如果作为负极材料，1个氢原子只有1个电子，氢电池工作时，这个电子就从负极流到正极，氢电池%的电子都参与了转移。
锂有3个电子，内层2个，外层1个，锂电池的3个电子，只有最外层的1个电子参与工作，只有三分之一的电子参与工作。
锌一共有30个电子，最外层有2个电子。如果做成锌电池，30个电子中只有2个电子参与工作，电子参与度已经降到十五分之一。所以，锌就不大适合作为电池的负极材料，做出来的电池不仅很重，而且能量密度也低。
要想作出高能量密度的电池，首先，这个材料要容易释放出电子，比如钾钙钠镁铝等金属。其次，原子中包含的电子最好尽可能参与到电子转移，元素周期表排名前10位的元素都可以考虑。
▲元素周期表，图片来自网络1号元素氦和2号元素氖是惰性气体，一般情况下不发生反应，7号元素氮也很稳定，以上3个元素都不合适拿来做电池。8号元素氧和9号元素氟不提供电子，主要参与氧化反应（夺取电子），也不适合做电池，这样就只剩下5个元素（氢、碳、硼、铍、锂）可选。
氢元素的电子参与转移的比例为%，碳元素的的电子参与转移的比例为66.7%，氢、碳是主要的能量来源。汽油、柴油作为碳氢化合物，能量密度非常高，是人类历史上利用率最高的能源。煤的主要成分是碳，是人类使用最多能源。氢气作为清洁新能源，目前还在开发过程中，未来有可能成为利用效率最高的能源。
锂元素的电子参与转移的比例是33.3%，但是锂电池的能量密度还不到汽油的2%。以特斯拉电动汽车里的电池为例，每节mAH，重46克，其中锂元素大约1.0克，也就是说锂元素只占电池总质量的2%，另外98%的都是电解质等填充物。锂元素参与转移电子的数量本身就只有汽油（碳元素）的1/2，做成电池后其能量密度就连汽油的2%都不到。
即便如此，锂电池也是目前比较理想的电池，锂电池发展的瓶颈主要集中在正极，当今电池新突破大都来自正极，比如过渡金属氧化物、导电聚合物、含硫化合物等。
二、锂离子电池类别
锂离子电池、、究竟是什么意思？NCA、NCM、NCM又是何意？我们来了解一下。
特斯拉电动汽车最早使用的电池是松下的NCA（镍钴铝），后来换成NCM（镍钴锰）。NCM三种材料的比例可以不断调整，比如NCM电池，镍钴锰三种材料的比例是8:1:1。最近一系列电动车自燃事件，让人们认识到了NCM的潜在风险，于是开始使用NCM电池，也就是镍钴锰三种材料的比例调整为5:2:3。
为了改进电池性能，特斯拉通过改进电池外形，充分利用电池空间，来提升锂离子电池的综合性能。比如，特斯拉最早用的电池是，18表示直径18mm，65表示长度65mm，0代表圆柱形。年，特斯拉改用，直径变成了21mm，长度变成了20mm，电池变长、变大了。年9月，特斯拉宣布，年会换用电池（按照原来的命名规则的话其实应该是0，最后一个0省略了，形状还是圆柱体）。据报道，电池的能量密度将提升5倍，续航里程提高16%，动力提高6倍，生产速度提升7倍多。
▲电池，图片来自网络上图是特斯拉电池的照片，参数显示“5×energy，+16%range，6×power”。值得注意的是，这里的“5×energy”，不是指电池能量密度提升5倍，而是指电池是电池能量的5倍之意。那么这个提升算不算飞跃式的提升呢？其实不能算是，马斯克还是比较鸡贼，其实电池的体积相比电池，差不多也增加了5倍。
电池直径21mm，长度70mm，圆柱体，电池直径46mm，长度80mm，圆柱体。简单计算一下，电池的体积差不多是电池的5.5倍。这么一算的话，其实特斯拉新研发的电池，其能量密度还略有下降，体积增长了5.5倍，能量才增长5倍。
“+16%range”指的是车辆的续航里程增加16%。“6×power”指的是放电功率，如果电池放电的最大电流是5A，电池放电的最大电流就是30A，这才是电池最核心的部分。
马斯克介绍，电池之所以能有提升，主要是因为采用了无极耳技术。
圆柱形电池一般分为三层：一层是阳极，基板的材质一般是铜。一层是阴极，材质一般是铝。阳极、阴极上面还分别附着石墨和锂化合物。夹在阳极、阴极中间的是隔离层，用来填充电解液。三层摞在一起卷起来，然后阳极接出一根引线，这根引线就叫作“极耳”。阴极也接出一根引线，也叫“极耳”。最后，把三层膜塞进圆柱形钢壳里，正负极再封装，就是一颗圆柱形电池。
传统的圆柱形电池有一个重要的性能参数是电池的“内阻”。传统的圆柱型电池，不论是还是，内阻约为20毫欧～30毫欧。如果一个电池的输出电流是10A，内阻是20毫欧，那么电池工作时内部发热是2瓦。多节电池堆在一起，就是瓦的发热量，这个数据还是比较惊人的。
除了特斯拉之外，几乎没有电动汽车厂商会采用圆柱形电池，特斯拉电动车的电池组都会配备一个水冷系统专门用来降热。
▲特斯拉无极耳电池示意图，图片来自《卓克·科技参考》
上图是马斯克给出的无极耳电池的内部示意图，电池内部阳极卷起来就是这个样子，边缘叶片状的部分就是被剪出来的极耳。由于极耳太密集，于是马斯克干脆说是“无极耳”，以此来吸引媒体的眼球。
特斯拉这样设计电池有什么优势呢？电池虽然依然是圆柱形电池，但内阻会比其它的圆柱形电池小一个数量级。其它圆柱形电池的内阻一般是20毫欧～30毫欧，但电池由于采用“无极耳”设计，其内阻约降低到2～3毫欧。内阻的大幅减少，意味着可以通过大电流，这就是特斯拉标称“6×Power”的根本原因。
未完，请
