阳极表面材料 - 究竟是什么限制了电池的容量？
日 09:50 来源：知乎 作者：陈远威 (0)
　　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。
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关于锂离子电池比容量的疑惑
我们常看到某一种新的负极材料，其比容量很高，但是整个电池的容量难道不受正极材料比容量限制吗？就常见的钴酸锂正极材料来说吧，石墨比容量372，那么整个锂离子电池的比容量是多少呢？&&难道跟正极材料比容量没关系吗？实在有些不解，请各位指点一下。
谢谢啊 ，我指的意思是整个全电池的比容量应该是跟正负极材料的比容量相关吧？负极再高，正极只有100多，实际中为了有一个稳定的电压，还是得受较低的那个比容量限制吧? 锂离子消耗我知道，另外一个是我们半电池的测试结果只是测出某一种电极材料的性能，比如某一种比容量很高的负极材料，如果把这个材料放到全电池里面，那么这个全电池的能量密度有改善吗？
你说的对的。仅仅提高单个电极的比容量没有实际意义，目前限制全电池的能量密度的是正极材料了，负极石墨勉强够用，硅碳也能应用一点，但正极需要很大的提升才能匹配。
可以改善，提高全点吃的体积比能量，你要和现有的设计进行对比，可以计算出来的。
恩，多谢啊 ，但是我还有个疑问，如过负极比容量很高，那这样岂不是强迫正极需要更多地质量，当然如果也有正极比容很高的材料，那么整个电池就可以具有很高的能量密度了 （考虑了你们所说的负极过量的因素）。
恩，对啊，之前看到了一个关于电池的化学方面的基础分析。正极材料还要维持一个稳定电压。 因此理论上来说正负极材料都需要找到高的比容量啊
额 前面你说的我同意，但是你说的那个把硅基材料与石墨复合起来，容量降低到几百，有利于电池性能的提升。这个有点不解。
恩 多谢啊 ，我觉得也是 ，现在研究都是半电池实验
恩 是啊，只是单纯提高了能量密度
理论上高的负极比容量肯定是能提升全电池的能量密度，但是就目前正负极容量发挥的情况来看：负极，以硅为例，基本高的比容量就很难保证好的循环性能，对于负极过量的全电池，很难保证后期循环的安全性。另外目前锂离子电池中制约其能量密度的是正极材料，所以负极石墨材料的比容量基本是够用了，而且石墨的成本低
另外，提升全电池能量密度还可以从集流体、电解液甚至电池壳等方面考虑
恩 ，谢了，我懂你的意思，我也觉得目前还不好找到能量密度高的正极材料啊
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