电池的大问题之二,负极表面材料

　　　　电池的大问题之二，负极表面材料

　　现在回顾上一部分的内容。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?

　　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

　　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：

　　　　开始长篇之前再放张图：

　　负极的任务很简单，放电时保证锂原子(不是离子)都在负极表面失去电子，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负极移动，得到电子回归为锂原子。

　　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。

　　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。于是先到负极的锂原子成为了负极的一部分，于是后到负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正极，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负极表面，但我们无法保证锂离子会均匀地分布在负极表面。因此在没有外来约束条件下，充电时锂晶体会在负极表面无序生长，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负极表面的石墨材料。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负极表面。

　　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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