三：電池的大問題之二，陽極表面材料

　　大家好，我又回來了。

　　如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里，恭喜，你對電池的理解已經上了一個層次。

　　現在回顧上一部分的內容。啥么？？全忘了？？不就一句話么？由于不做功但是必不可少的電解質以及其他輔助材料的存在，電池的能量密度被稀釋了。

　　這些額外重量到底有多少？？

　　電解質的重量一般占電池全重15%（鏈接找不到了）隔膜沒查到。估計把外殼，外接電極之類的輔助材料都算上，總重應該不超過電池總重的50%。

　　不對啊，電池雖然摻‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的鋰離子電池們的能量密度也就單質鋰的1%左右。這到底又發生了什么？（這句式為何這么熟悉呢？）

　　喝點鮮橙多，讓我們看看最常見的鈷酸鋰電池（Tesla Roadster）的電化學反應式。

　　醒醒啊！！化學不好沒關系，不要暈倒啊！！都讀到這里了，你也知道達主會歸納的呀！！

　　發生電子轉移的其實只是一部分鋰與鈷，其它的元素均不參與電子轉移。

　　然后我們做個小計算：單質鋰的原子量為6.9，能貢獻1個電子參與電子轉移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。

　　鈷酸鋰電池的電池反應的反應物總分子量為98+72=170，但只能貢獻半個電子參與電子轉移。因為只有部分鋰原子會發生反應。

　　假如我們認為這兩個電子的做功是一致的，那么就可以估計一下這兩種能量載體的能量密度之比了。

　　電池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /（1/6.9） =2.03% 電池完敗。

　　考慮到電池有一半重量是輔助材料，我剛才沒算進去。于是還得打個折。就剩下1%了。

　　所以能量密度就成了這樣：鋰 43.1MJ/Kg 鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg

　　呵呵呵呵呵呵呵……還跟得上么？？四則運算多簡單呀。現在知道發生了什么了吧？？

　　現在你們是否明白 我為啥說：電池背后的化學限制了電池的能量密度。

　　接下來我們的問題是：為什么電池的化學反應要那么復雜，直接降低了電池的能量密度。

　　這個問題展開說會比較復雜，估計大部分人沒耐心看完。所以先給個簡單答案：

　　為了有序。

　　好了，沒耐心的人，你們可以走了。下面真的很長，能讀完的都不是一般人。

　　開始長篇之前再放張圖：

　　剩下的同學們，是不是覺得這圖很熟悉？其實還是鋰電池的示意圖，只是這回因陰極陽極的表面結構都顯示出來了。大家有沒有覺得它們都很整齊規矩啊？？

　　整齊規矩換個說法，有序。

　　為什么陰極陽極的表面結構都需要有序？因為要保證在充電/放電時，氧化還原反應只在陰極和陽極的表面發生，這樣才能有電流。

　　我們先看石墨（C6）所在的陽極。

　　陽極的任務很簡單，放電時保證鋰原子（不是離子）都在陽極表面失去電子，充電時再把它們抓回來就好了。由于充電時陽極電壓低，帶正電的鋰離子會自發向陽極移動，得到電子回歸為鋰原子。

　　似乎沒有石墨什么事情啊？？

　　如果是一次性電池，確實不需要石墨。但如果是可充放電池，陽極表面材料不是石墨也會是其它物質。

　　別賣關子了，快說到底咋回事？？

　　急啥。這得仔細想想。充電時，鋰離子會在陽極表面得到電子成為鋰原子。然后呢？？

　　我們都知道 所有金屬都是良好電子導體，鋰是金屬，所以鋰是良好電子導體。于是先到陽極的鋰原子成為了陽極的一部分，于是后到陽極的鋰離子加入了前鋰的行列。。。。

　　于是完全由鋰原子構成的晶體出現了。這個過程，又稱析晶。結果是鋰晶體會刺穿隔膜到達陰極，于是電池短路報廢了。

　　對于析晶這一現象，我們可以這么理解。

　　在充電過程中，我們對于鋰離子的控制實際上很弱。我們只能保證鋰離子會移動到陽極表面，但我們無法保證鋰離子會均勻地分布在陽極表面。因此在沒有外來約束條件下，充電時鋰晶體會在陽極表面無序生長，形成枝晶 （dendritic crystal）。

　　所以一定要有個約束條件。要挖個坑讓鋰離子往里面跳。

　　這個坑的具體表現即為陽極表面的石墨材料。如上圖所示，石墨層之間的空隙夠大，足以容納單個鋰原子，但也只能容納單個鋰原子；然后石墨層與鋰原子之間的物理吸附作用可以穩住鋰原子，于是鋰原子在沒有外來電壓時候也能安心待在陽極表面。

　　如此以來，鋰原子便不會野蠻生長了。但能量密度也上不去了。