在开始阅读之前，请计算几米范围内您旁边有多少个带电池的设备。 您肯定会看到智能手机，平板电脑，智能手表，健身追踪器，笔记本电脑，无线鼠标吗？ 所有这些设备都配备了锂离子电池-他们的发明可以被认为是能源领域最重要的事件之一。
轻便，大容量和紧凑的锂离子电池推动了便携式电子产品的繁荣发展，而这种发展以前是不可能的。 在过去的30年中，只是小玩意儿就实现了惊人的技术飞跃，现代锂离子电池与1990年代初的首批生产型号几乎没有什么不同。 谁发明了锂离子可充电电池，如何发明，它们使用了什么成分，全球对“永恒”电池的阴谋是否存在？ 我们正在告诉。
第一块电池的传奇
在第一次化学发电尝试和锂离子电池的制造之间，也许已经过去了两千年。 有一个未经证实的猜测，即人类历史上第一个人造电化学元素是“ Baghdad电池”，该电池于1936年由考古学家Wilhelm Koenig在巴格达附近发现。 发现于公元前二至四世纪。 例如，是一种粘土容器，其中有一个铜制圆筒和一个铁棒，它们之间的空间可以充满“电解质”（酸或碱）。 该发现的现代重建表明，当容器装满柠檬汁时，有可能获得高达0.4伏的电压。
巴格达电池与便携式电池非常相似。 还是纸莎草纸箱？ 资料来源：Ironie / Wikimedia
如果在发现电之前还有数千年，为什么要使用“巴格达电池”？ 也许是通过镀锌方法将其用于在小雕像上精确地沉积金-来自“电池”的电流和电压就足够了。 但是，这仅是一种理论，因为远古人民没有获得任何使用电力和同样的“电池”的证据：镀金当时是通过合并进行的，不寻常的容器本身也可以作为保护涡卷的容器。
小爆炸理论
俄罗斯谚语“没有幸福，但不幸得到了帮助”以最好的方式说明了锂离子电池的工作过程。 如果没有一次意外和不愉快的事件，新电池的制造可能会延迟数年。
早在1970年代，在埃克森美孚能源公司工作的Briton Stanley Whittingham使用硫化钛阳极和锂阴极来制造可充电锂电池。 第一个可充电锂电池显示出可以忍受的电流和电压指示器，它仅会定期爆炸并用气体毒害其周围的人：二硫化钛在与空气接触时会释放出硫化氢，这至少使呼吸不愉快，但最危险。 此外，钛一直是非常昂贵的，在1970年代，二硫化钛的价格约为每公斤1,000美元（如今相当于5,000美元）。 更不用说金属锂在空气中燃烧的事实。 因此，埃克森美孚拒绝了惠廷汉姆的计划。
1978年，捍卫物理学博士学位的水岛幸一（Koichi Mizushima）在东京大学从事研究工作，当时他受到牛津大学的邀请加入约翰·古德诺（John Goodenough）研究小组，该小组正在寻找用于电池负极的新材料。 这是一个非常有希望的项目，因为锂电源的潜力已经为人所知，但是它们并不能真正驯服这种易变的金属-最近的Whittingham实验表明，令人垂涎的锂离子电池的大规模生产还很遥远。
实验电池使用锂阴极和硫化物阳极。 阳极中硫化物相对于其他材料的优越性为Mizushima和他的同事们提供了搜寻的方向。 科学家在其实验室现场订购了一台硫化炉，以更快地试验不同的化合物。 炉子的工作进展不顺利：有一天，它爆炸并起火。 该事件迫使一组研究人员重新考虑他们的计划：尽管硫化物有效，但也许不是最佳选择。 科学家们将注意力转移到了氧化物上，氧化物的合成更加安全。
在对包括铁和锰在内的各种金属进行了许多测试之后，水岛发现，钴酸锂显示了最好的结果。 只是使用它的方式与古德纳夫（Gudenaf）的团队以前所想的不同-不是寻找吸收锂离子的物质，而是寻找最容易产生锂离子的物质。 钴也比其他钴更好，因为它可以满足所有安全要求，并且还能将电池电压提高到4伏，即是早期电池选件的两倍。
钴的使用是最重要的，但不是制造锂离子电池的最后一步。 解决了一个问题后，科学家面临了另一个问题：电流密度太低，无法使用锂离子电池在经济上可行。 取得突破的团队又取得了第二个突破：将电极的厚度减小到100微米时，可以将电流强度提高到其他类型电池的水平，电压和容量都可以提高一倍。
第一步商业步骤
锂离子电池发明的故事还不止于此。 尽管发现了水岛，但古德纳夫（Gudenaf）团队尚未准备好大规模生产的样品。 由于在电池充电过程中在阴极中使用了锂金属，锂离子不是均匀地返回阳极，而是通过枝晶-压花链增长，这引起短路和烟火。
1980年，摩洛哥科学家Rachid Yazami发现石墨可以应付阴极的作用，并且绝对防火。 当时存在的有机电解质在与石墨接触后迅速分解，因此Yazami用固体电解质代替了它们。 Yazami的石墨阴极受到Shirakawa Hideki教授发现的聚合物电导率的启发，为此他获得了诺贝尔化学奖。 Yazami石墨阴极仍在大多数锂离子电池中使用。
投入生产吗？ 再来一次！ 又过了11年，研究人员提高了电池安全性，提高了电压，并在首款锂离子电池上市之前尝试了不同的正极材料。
商业样品是由索尼和日本化学巨头旭化成开发的。 它成为了胶片业余摄录机Sony CCD-TR1的电池。 它经受了1000次充电循环，这种磨损后的剩余容量是同类镍镉电池的四倍。
钴绊脚石
在发现水岛浩一（Koichi Mizushima）锂钴氧化物之前，钴并不是抢手的金属。 它的主要矿床是在非洲领土上被发现的，该州现在被称为刚果民主共和国。 刚果是最大的钴供应商-54％的这种金属是在这里开采的。 由于1970年代该国的政治动荡，钴的价格飙升了2000％，但后来又恢复到以前的价格。
高需求创造高价格。 无论是在1990年代还是2000年代，钴都不是地球上的主要金属之一。 但是，从2010年代智能手机的普及开始了！ 2000年，金属需求量约为每年2700吨。 到2010年，当iPhone和Android智能手机在地球上胜利前进时，需求跃升至25,000吨，并逐年增长。 现在，订单数量超过了钴销售量的5倍。 供参考：全世界开采的钴中有一半以上用于电池生产。
过去4年的钴价走势图。 评论是多余的。 资料来源：Elec.ru
如果在2017年每吨钴的平均价格为24,000美元，那么自2017年以来它已经急剧上升，在2018年达到峰值，约为95,500美元。 尽管智能手机仅使用5-10克钴，但金属价格上涨已经影响了设备的成本。
这就是电动汽车制造商关注钴在汽车电池中所占份额下降的原因之一。 例如，特斯拉将稀有金属的重量从每台机器的11千克减少到4.5千克，并且在未来的计划中，将找到完全不含钴的有效化合物。 到2019年，钴的价格异常上涨并跌至2015年的价格，但电池开发商已加大力度拒绝或减少钴的份额。
在传统的锂离子电池中，钴约占总质量的60％。 根据电池所需的特性，用于汽车的锂镍锰组合物包含10％至30％的钴。 锂镍铝成分仅为9％。 但是，这些混合物不能完全替代钴酸锂。
锂离子问题
迄今为止，对于大多数消费者来说，各种类型的锂离子电池都是最好的电池。 体积大，功能强大，结构紧凑且价格便宜，它们仍然存在严重的缺陷，限制了使用范围。
火灾隐患。 为了正常工作，锂离子电池需要电源控制器以防止过度充电和过热。 否则，电池会变成非常易燃的物品，在高温或使用劣质适配器充电时会膨胀并爆炸。 爆炸危险可能是锂离子电池的主要缺点。 为了增加电池内部的容量，该装置被紧凑化，因此即使对壳体的轻微损坏也会立即导致起火。 每个人都记得三星Galaxy Note 7的轰动一时的故事，由于外壳的密封性，电池壳会随着时间摩擦，氧气渗入内部，智能手机突然闪烁。 从那以后，一些航空公司要求仅在手提行李中携带锂离子电池，而在货运航班上，装有电池的包装上会贴有一个大的警告标签。
降压是爆炸。 充电是爆炸。 您必须采取预防措施来支付锂的潜在能源。老龄化 即使不使用，锂离子电池也容易老化。 因此，例如，十年前以收藏者的身份购买了未包装的智能手机，例如第一部iPhone，由于电池的老化，其持有的电量要少得多。 顺便说一句，保持电池充电至一半容量的建议是合理的-长时间存放后充满电时，电池会更快地失去其最大容量。
自放电。 在锂离子电池中积累能量并存储很多年是一个坏主意。 原则上，所有电池都会失去电荷，但是锂离子会特别快。 如果镍氢电池每月损失0.08–0.33％，则锂离子电池每月损失2-3％。 因此，锂离子电池一年将损失三分之一的电量，三年后将“坐下来”为零。 公平地说，假设镍镉电池仍然更糟-每月10％。 但这是一个完全不同的故事。
对温度的敏感性。 冷却和过热会严重影响此类电池的参数：+20°C被认为是锂离子电池的理想环境温度，如果降低至+5°C，则电池将为设备节省10％的能量。 冷却至零以下会消耗百分之几十的电量，还会影响电池的寿命：例如，如果尝试从移动电源为电池充电，则会出现“记忆效应”，并且由于在阳极上形成锂金属，电池将不可避免地失去容量。 在俄罗斯冬季平均温度下，锂离子电池无法正常工作-一月份将手机放在街上半小时才能进行验证。
为了解决上述问题，科学家正在试验阳极和阴极的材料。 当更换电极的成分时，一个较大的问题被较小的问题所代替-防火安全导致使用寿命缩短，而高放电电流则降低了单位能耗。 因此，根据电池的用途选择电极的组成。
谁偷了革命？
每年在新闻源上都有报道称，在制造极其大容量且经久耐用的电池方面，还有另一项突破-似乎智能手机可以使用一年而无需充电，并且可以在十秒钟内充电。 科学家向所有人承诺的电池革命在哪里？
记者经常在此类报道中歪曲事实，忽略了非常重要的细节。 例如，具有即时充电功能的电池容量可能非常低，仅适合为床头闹钟供电。 或电压未达到1伏，尽管智能手机需要3.6V。要获得续航能力，电池需要具有低成本和高防火安全性。 不幸的是，绝大多数的发展至少在一个参数上是次要的，因此，“革命性”电池从未超越实验室。
在20世纪90年代后期，东芝进行了可充电甲醇燃料电池的实验（照片中用甲醇进行了加油），但是锂离子电池仍然更加方便。 资料来源：东芝
而且，当然，我们撇开了阴谋论“无休止的电池对制造商而言无利可图”。 如今，消费类设备中的电池已不可替代（或者可以更换，但很困难）。 10到15年前，更换手机中损坏的电池很简单，但是在真正使用一两年后，电源确实损失了很多电量。 现代锂离子电池的使用寿命比设备的平均使用寿命更长。 在智能手机中，您可以考虑不超过500个充电周期后更换电池，否则会损失10-15％的电量。 相反，在电池最终失效之前，手机本身将失去相关性。 也就是说，电池制造商不是从更换中获利，而是从新设备的电池销售中获利。 因此，使用十年的手机中的“永久”电池不会损害业务。
Goodenough的团队重新营业
但是，约翰·古德诺（John Goodenough）小组的科学家发生了什么，他们发现了锂钴氧化物，从而使高效的锂离子电池焕发了生命？
2017年，现年94岁的古德诺（Goodenough）宣布，他与德克萨斯大学的科学家一起开发了一种新型固态电池，其存储的能量比以前的锂离子电池多5-10倍。 为此，电极由纯锂和钠制成。 许诺，价格低廉。 但是，尚无关于大规模生产开始的细节和预测。 鉴于Gudenaf集团的成立与开始大规模生产锂离子电池之间还有很长的路要走，预计可以在8到10年内得到真正的样品。
水岛浩一（Koichi Mizushima）在东芝研究咨询公司（Toshiba Research Consulting Corporation）继续研究。 回顾过去，我感到惊讶的是，我们之前没有人想到在阳极上使用像钴酸锂这样简单的材料。 到那个时候，已经尝试了许多其他氧化物，所以如果不是我们想要的话，那么其他人可能会在几个月内发现这个氧化物。
水岛耕一（Koichi Mizushima）因参加锂离子电池的研发而获得了英国皇家化学学会的奖项。 资料来源：东芝
历史不能容忍虚拟的情绪，特别是因为水岛先生本人承认，锂离子电池制造的突破是不可避免的。 但是，仍然可以想像一下，如果没有紧凑而宽敞的电池，移动电子世界将会是什么样子：厚度只有几厘米的笔记本电脑，每天需要充电两次的大型智能手机，并且没有智能手表，健身手环，运动相机，四轴飞行器和甚至是电动汽车。 每天，世界各地的科学家都在拉近一场新的能源革命，这将使我们拥有更强大，更紧凑的电池，以及它们所拥有的令人难以置信的电子产品，这是我们梦dream以求的。