几乎所有现代小工具都有一个共同点——它们都有可充电电池。它的容量仍然是选择设备时的主要标准之一。我们生活在移动时代，电池需求逐年增加。

笔记本电脑电池（以及许多其他电池）由排列在互连电池中的能量电池组成。与大多数其他移动设备一样，笔记本电脑使用锂离子或锂聚合物电池运行。

很少有人想到制造一款满足时代需求的电池是多么困难。今天，您将了解如何以工业规模生产它们……从化学元素开始。

Li-ion - 锂离子

广泛使用的锂离子电池由电极（铝箔阴极和铜阳极）组成，电极之间由浸泡在液体电解质中的多孔隔膜隔开。电极包放置在密封外壳中，阴极和阳极连接到集电器端子。外壳有时配备安全阀，可在紧急情况或违反操作条件时释放内部压力。


典型的锂离子充电电池由正极（绿色）、负极（红色）和将它们分开的隔离层（黄色）组成。锂离子（Li+，蓝色）从负极（阳极）移动到正极（阴极）。在充电过程中，发生相反的过程，锂离子转移到阳极。锂离子电池

具有高能量密度，但在寒冷条件下使用时会快速放电，如果过度充电至 4.2 V 以上，可能会爆炸。如果刺穿锂离子电池并造成短路，它会着火并产生火灾。非常大的火灾，用普通灭火器不容易扑灭。这就是为什么许多电池都配备了特殊保护。

Li-po - 锂聚合物

锂聚合物电池（锂离子聚合物电池）是锂离子电池的先进设计。在这种电池中，使用干燥的聚合物材料（合成塑料）而不是液体作为电解质。与锂离子电池不同，锂聚合物电池更安全，可以提供高电流，并且由于采用聚合物材料，可以具有任何厚度和形状。

锂电池与技术

配备锂离子电池的笔记本电脑可支持比配备标准锂离子电池的笔记本电脑多 3 倍的充电周期（即长 3 倍） 。

能源效率不仅可以通过电池化学来实现。当电池充满电时让笔记本电脑连接到充电器可能会降低电池性能，从而缩短其使用寿命。这还会导致电池因氧化导致内部气体积聚而膨胀，从而导致笔记本电脑变形或损坏。其他软件技术允许您将充电限制设置为 60%、80% 或 100%，以延长电池寿命并减少电池膨胀的可能性。

笔记本电脑还配备了快速充电机制，只需几十分钟即可将电池电量充至一半多。

锂聚合物电池与锂离子电池

Li-po和Li-ion的正负极具有相似的化学成分。两种类型电池的主要区别在于它们的组装方式。使用锂离子技术，您只能选择硬金属外壳作为外壳，而锂聚合物技术则允许您使用软外壳作为外壳（塑料或铝箔）。Li-po的厚度高达3mm，具有容量优势。锂离子电池的厚度超过 3 毫米，具有显着的成本优势。

还有其他类型的锂基电池：LiFePO4 - 磷酸铁锂、LiFeYPO4 - 磷酸铁钇锂等。它们的不同之处在于提高电池性能的各种添加剂。然而，大多数新实验都是基于相同的金属，它取代了曾经流行的镍镉和镍氢电池。

锂

一种非常轻、非常软的银白色金属。

第一个制造可充电锂基电池的工作始于 1912 年，但直到 20 世纪 70 年代，由于锂的不稳定，实验一直没有超出实验室范围。20世纪80年代，基于牛津大学开发的技术，第一批工业锂电池开始出现，但很快就过热并失效。直到 1991 年，人们才发明了一种电池，用更安全的离子形式取代了锂金属。
锂由于其特殊性能而受到当之无愧的欢迎。它是元素周期表中最轻的金属之一，实际上有助于在小体积和可忽略不计的重量中储存大量能量。然而，今天锂的普及可能会导致这种金属在未来耗尽。



即使在金属丰富的地区，锂开采也是一个劳动密集型过程。几十年来，商业锂生产一直依赖于锂辉石、透锂长石和锂云母等矿石来源。然而，从矿石中提取锂的成本是从盐水中提取锂的成本的两倍。

适合积极开发的主要锂矿床位于南美洲和中国。在俄罗斯境内，最多的锂是云母中含有的，云母中还伴随着稀土金属矿藏。直到最近，从云母中开采锂都过于昂贵，但在 2017 年，NUST MISIS 的科学家提出了一种方案，使从低品位矿石中开采锂化合物的成本降低一半。

如今，大多数锂是从盐湖的天然水透镜体中开采出来的，其中氯化锂、钾和钠浓缩在饱和盐水溶液中。将溶液抽出并在阳光下蒸发，然后对所得盐混合物进行处理。

提锂

乌尤尼盐湖蕴藏着约1亿吨锂，占世界锂储量的50%至70%。

最大的锂矿产地位于玻利维亚——乌尤尼盐湖，这是一个海拔约 3650 米的干盐湖。面积10,588平方公里。内部覆盖着一层2-8m厚的食盐，这里蕴藏着大量的氯化锂，适合从中提取锂，以前被用作普通盐的替代品。发现有毒作用后，他们停止食用。


阿根廷的锂盐池。

为了提取锂，盐水溶液首先被泵送到地表的特殊池塘中，在那里暴露在阳光下的几个月会慢慢蒸发。当蒸发池中的氯化锂达到最佳浓度时，溶液被泵送到回收厂，通过过滤从混合物中去除不需要的杂质。

锂向金属的转化是在电解池中完成的。将氯化锂与氯化钾以55%至45%的比例混合，产生熔融共晶电解质。接下来，通过在600℃的温度下电解熔体，获得熔融的锂，该锂上升到电解质的表面。

其他化学元素

锂离子电池的成本构成。

锂离子电池内部可使用多种阴极材料。最初，阴极的主要成分是钴，但它在自然界中的可用性有限，而且有毒，这对大规模生产来说是一个巨大的缺点。如今，钴已部分被镍以及钴、镍和锰的混合物所取代。

安全耐用的电池需要可靠的电解质，能够承受现有的电压和高温，并具有较长的保质期，提供高锂离子迁移率。电解液由有机溶剂、LiPF6盐（六氟磷酸锂）和各种添加剂组成。

高纯度电解质在正极和负极之间传输正锂离子方面发挥着关键作用。电解质添加剂通过防止溶液降解来提高稳定性。电解质的组成根据所使用的阳极和阴极材料而变化，但电解质的选择通常涉及可燃性和电化学性能之间的权衡。

聚合物电解质是离子导电聚合物。它们通常与陶瓷纳米颗粒混合在复合材料中，从而具有更高的电导率和耐高电压。

锂离子电池使用各种金属箔作为集流体——铜箔、镍箔或催化铜箔。一般情况下，阳极集流体采用铜箔作为负极，阴极集流体采用铝箔作为正极。锂聚合物电池


的结构

阳极由石墨和锂的混合物组成（也可以使用金属间化合物或硅），而阴极则由锂和其他金属结合而成（阴极材料要求极高的纯度，并且必须几乎完全不含不需要的金属杂质（铁、钒和硫）。

阴极通过由聚丙烯、聚乙烯或其他类似聚合物材料制成的分隔材料与阳极分隔。大多数电池隔板由非常简单的塑料薄膜组成，其孔径恰到好处，允许离子移动，同时阻挡其他电池。在液体电解质的情况下，隔膜是一种泡沫材料，充满电解质并将其固定到位。

电池生产流程

阳极和阴极的碱以黑色粉末 的形式供应给工厂，对于未经训练的人来说，它们几乎无法区分。非常细的粉末，可实现最大的有效电极表面积。颗粒的形状也很重要。优选具有圆形边缘的光滑球形颗粒，因为锋利的边缘或片状表面对高电力负载敏感。

锂电池的阳极和阴极具有相同的形状，并使用相同的设备采用相似的工艺制成。但由于阳极和阴极材料之间的污染会损坏电池，因此它们通常在不同的车间加工，以防止材料接触。



生产的第一阶段包括混合电极材料并将悬浮液施加到箔的表面。活性电极材料的两面都涂有金属箔，金属箔充当集流体，在电池内部和外部传导电流。然后将带有材料的箔干燥，切成窄条并卷成多层。这需要持续监控，因为箔条边缘上的任何毛刺都可能导致电池内部短路。



在电池组装过程中，隔膜被夹在阳极和阴极之间。将电池放入外壳后，即充满电解液并密封。由于电解质与水发生反应，因此必须在“干燥室”中进行。水分会导致电解液分解，释放出有毒气体。


电极放置在外壳中，留下一个用于添加电解质的开口。

电池组装完成后，必须经历至少一个受控的充电/放电循环。充电过程从低电压开始，然后逐渐升高。只有通过测试后，电池才会出厂并继续使用。

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