电动汽车？带你“锂”解她的内心 | 线上科学日 第5弹
好了，大家看出来这是什么了吗？
——是的，这是美国特斯拉公司在2015年发布的第三款车型——Tesla Model X。该车对于大众最大的印象大约是它独特的开门方式吧……但是不要忘了特斯拉几代汽车最根本的特点，也是让它的诞生成为在汽车发展历史上一个标志性事件的那个特点。想到了吗？
——没错，那就是特斯拉的根本动力来源——锂离子电池。
（嗯……我不是在说它的发动机，虽然它也是特斯拉系列的重要核心技术之一，今天我们主要讲我们所在做的东西……）
电动汽车最近几年在我国还是非常火的，具体为什么……相信大家说的都比小编我深刻……咱们只是找个典型代表特斯拉说说事。（其实我国有很多公司，比如比亚迪、北汽、江淮等等，都做出来了很多优秀的电动汽车车型）
说到特斯拉呢，有个人就不得不提了……是的就是下面这个人，特斯拉公司的投资人。
埃隆·马斯克（Elon Musk）1971年6月28日出生于南非，到2011年6月的40年里，他成功地设计并卖出一款视频游戏（在他12岁时）；获得两个学士学位；参与设计并卖出网络时代第一个内容发布平台；担任美国最大的私人太阳能供应商Solar City的董事长；参与创立和投资PayPal，世界最大的网络支付平台；参与设计能把飞行器送上空间站的新型火箭，价格全世界最低，研发时间全世界最短；投资创立生产世界上第一辆能在3秒内从0加速到60英里的电动跑车的公司，并成功量产（说的是特斯拉第一代产品Roadster）。
哦对了，前段时间2016年3月，Tesla Model 3的发布会刚举行，2016年4月9日凌晨，他的SpaceX公司成功完成人类历史上首次在海上实现火箭回收——这是个很厉害的人物，被称为现实版的钢铁侠——所以这个故事告诉我们不要以貌取人（哈哈开个玩笑）。
回到正题，今天咱们就聊聊锂离子电池。
上来就讲原理不太好，会让小编我很紧张。那么我们还从特斯拉汽车讲起……
据说有个外国的土豪买了一辆特斯拉Model S 85（Model X的前代）……然后拆掉了……发现有将近900公斤重的电池组（基本上快到整个汽车的一半的重量了），85 kWh，400V直流输出，一共7104颗18650电池（好多数字记的好累）
还有说到18650电池呢，是指直径18mm高度65mm的圆柱形电池，是制作工艺最为成熟的锂离子电池型号之一，而且很常见哦~
让我们看看都哪里可以看到这种电池：
笔记本电脑电池、充电宝、电动自行车电池、航模车模电池等很多电池用的都是这种电池。
特斯拉的电池组就是……这样一群电池组成的……怎么说着说着就越感觉特斯拉是个放大版的电动汽车玩具……
啊，又有小伙伴不淡定了：你骗人！我拆过充电宝，里面是个片状的电池，不是圆柱形的！
嗯……淡定淡定，我只能说这和厂商对产品设计有关，从工作基理上讲圆柱形和其他形状的锂离子电池没有本质区别。
又有人要追问了：那锂离子电池工作原理是啥？
很好，我已经想讲这个东西好久，正担心你不问呢~ok, listen up！
所有的电池都有正负极，锂离子电池也不例外，至于具体结构呢有点像三明治。简单点说（注意看图）从上往下依次是正极集流体（铝箔）、正极活性物质、隔膜（在图里面没有标注，在正中间）、负极活性物质、负极集流体（铜箔）。同时在这之间要添加电解液，电解液的作用后面会说到。
铜箔和铝箔的选择呢，是经过实验发现铜在低电位不会发生合金化（铝在低电位会和锂合金化）而且导电性良好，铝价格便宜、轻、导电性好、而且高电位不会被氧化（再说下去就有点深了，简单点说就是不影响电池正常工作……）。
锂离子电池嘛，根本上依靠的是锂离子在正负极之间的来回迁移实现工作的。电池的正负极材料都是可以储存锂离子的（有点像两个公寓楼，锂离子可以住在里面，而且可以来回搬家……说到要搬家，电解液的作用就是锂离子搬家时候要走的路…）。在充电的时候，锂离子从正极脱出进入负极中（电子在外电路从正极进入负极，打比方说电子是锂离子的老婆，两个人分道搬家，最后在新家团聚）。
而在放电时（说直接点就是我们要用锂离子电池的电），锂离子从负极脱出经过电解液进入正极，电子从外电路从负极返回正极（锂离子又和他老婆团聚了）。
所以说……下图中绿色的是正极材料，灰色的是负极材料，紫红色的点是锂离子，e-是电子。我刚才说了好久了喝口水，你们看图…
电池领域称锂离子二次电池为“摇椅电池”……不过小编比较偏向于叫它“来回搬家电池”，哈哈！这里思考一个问题，如果锂离子跑的太快会怎么样？会不会卡在门口进不了家门？大楼结构会不会不结实？那和之前我们有文章建议慢充慢放浅充浅放有什么关系呢？
有比较严肃的小伙伴要问了：小编你不要逗逼，正极是什么材料，负极是什么材料！
欣赏你的求知精神！这个正好是小编的研究方向，给我足够的食物和水，我可以给你讲三天三夜。嗯……不过这里不适合，我在文章最末会推荐一些好东西哦~
简单提一下吧，只是简单介绍一下……
正极材料主要有钴酸锂（1990年索尼公司最早商业化锂离子电池时使用的，老有历史了，容量高性能好，但是原材料贵电池价格高）、三元镍钴锰锂（比钴酸锂便宜很多，容量更高性能也很不错，但安全问题需要注意）、三元镍钴铝锂（特斯拉用的就是这个）、磷酸铁锂（安全性很好，容量相对前面这些要低一截，和三元差不多贵）、锰酸锂（容量比较低，但是安全性较好而且最便宜无污染，是一种很有潜力的材料。我们研究所有团队就做了很多相关工作）。
负极主要用的是石墨和钛酸锂（后者比较贵，但是寿命长、安全性好）……如果你是个科技粉，应该还听说过一种负极材料吧——是的，是硅负极。理论容量是石墨的10倍还多…另外你知道什么是“氧硅铝铁”吗…（我们所有个团队正在硅负极的产业化进程中…嗯…还是刚才那个研究组）
好了，是时候进入我们所的实验室看看啦~
这是我们所锂离子研究组做出的一些成果，各种电池。
嗯……车模是买的，装饰用……
有同学就说了，你们天天都做这么大的电池吗，好厉害！是不是你们自己的电动车的电池都是自己做的？
……不是的……在早期研究中我们用的更多的是扣式电池.
什么是扣式电池呢？
嗯……这就是扣式电池，典型的三明治结构~将三明治叠好之后要把它压好让其内部电接触良好且密封，用的是专门的压机哦~感兴趣的同学可以去文章末的视频中看整个扣式电池的安装过程~
整个组装过程是在手套箱中，保护性氩气气氛下进行的，为什么呢？
首先为了保证测试结果的可靠性，涂有电极材料的极片不要放置在空气中，以免吸水变质（我们还经常使用金属锂作为对电极，空气中的氧气会让其表面生成氧化膜，那样就不能正常工作了）。其次就是有机电解液是不能见空气的，一旦吸水会变质，而且会产生氟化氢气体，那是一种会腐蚀人体的气体哦……所以，遇到破损的电池请尽快处理掉……还有不要啃电池……说你呢这位小朋友！
左边的呢就是手套箱，嗯……很多科幻电影里面应该也有这东西。右面呢是我们实验室的实拍，是用来测试电池的，功能呢有点像你用的充电器，但是可以精确控制电压电流以及充放电方式…像这样的测试装置我们有好几面墙…在实验室的大多数时间是各种设计材料……制备材料……做电池测电池……分析数据……重新设计电池……日复一日年复一年……然后终于找到一些性能好一些的材料……
充完电之后的电池可以放电哦~（似乎不用我说大家都知道……）
看到这，有的小伙伴就抱怨了：不就是个破电池！一点都不炫酷！而且你讲的那些电池材料黑乎乎的我一点都不感兴趣！
……是的，这些实验室中的电池确实看起来很不起眼，而且也不炫酷，因为你们在生活中看到了太多太多比这些更亮更炫彩更有花样的东西；而且由于物理所很多工作涉及机密，能给大家展示的只是很小一部分东西。
不过通过本期科学日专栏，小编想传达的一个信息是：你们看得到特斯拉的炫酷的外形，看得到她炫酷的触控操作方式，感受得到她的舒适和快速，但是你真正理解她吗？
虽然小编说了这么多，但只是讲解了特斯拉的储能技术原理的一部分（是的，只是一部分，因为由于篇幅所限并没讲解电池控制的电子电路部分，可以称之为电池的大脑的东西，而且这是特斯拉的关键核心技术之一）
电子电路部分讲到底是各种逻辑门，再基理是半导体PN结，再基理是固体物理能带理论量子力学…
很多看似炫酷的东西的背后的工作是枯燥乏味的……没错，这就是我们科学工作者的工作状态，也就是你所看到的炫酷的背后的枯燥无趣low品味的展品。但是正是这些枯燥乏味的付出成就了你我所看到的炫酷。
——谨以此篇文章祝福2016年6月21日即将毕业的师兄师姐。感谢你们多年来的默默付出，无论曾经多么枯燥和别人的各种不理解，愿你们的未来精彩美好。
最后是本期小编推荐的视频~应该会满足你的求知欲~
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4. 液态金属？给你看看我们在做的东西~ | 线上科学日 第4弹