想了解锂离子电池如何工作？玩一局“叠叠乐”游戏吧！

本文刊登于 2021 年 6 月刊的《Discover》杂志，原标题为“深入了解锂离子电池”。订阅，获取更多类似故事。

锂离子电池：它们几乎存在于每部手机和笔记本电脑中，为零排放交通工具提供动力，并使向风能和太阳能的过渡更容易。让我们揭开这些无处不在的黑盒子如何储存能量的神秘面纱——以及它们为什么不能永远持续下去的原因。

每个电池都有两个核心部分，一个氧化物电极和一个石墨电极。这两个电极排列成对称的分层晶体。你可以把它们想象成一个叠叠乐塔，其稳定性来自于相互交叉的积木。与木块不同的是，石墨电极塔中每隔一层都是石墨；在氧化物电极塔中，它是金属氧化物。剩下的积木将是锂（一种地球上分布最广泛的元素之一）这种软金属的离子。

在锂离子电池中，这些离子在两个电极之间移动。当你给电池充电时，电流导致锂离子和氧化物电极中的一个电子移动到石墨电极的层中。当你使用手机或电动汽车时，这些电子提供电能，它们与锂离子一起自然地返回到氧化物电极的层中。

想象一下，你已经把电池插入插座充电。电流的负电荷吸引带正电的锂离子到石墨电极。如果你把你的电池想象成叠叠乐塔，你会从石墨电极塔的几个空位开始。然后，当石墨电极吸引锂离子时，你从氧化物电极塔中滑出锂块，放入石墨电极塔中。一旦石墨电极上的所有空间都用完了，你的电池就充满了电。

每次你将积木滑入叠叠乐塔时，其他积木都会移动。同样，当锂在氧化物和石墨电极之间移动时，它会扭曲周围整齐的层。最终，锂曾经存在的地方不再稳定，你的电池开始失去储存能量的能力。伯明翰大学化学系博士生 Elizabeth Driscoll 用叠叠乐来教电池科学。她说，那些移动积木太快的学生，就代表了你给锂离子电池充电太快时会发生的情况：电极崩溃，无法再容纳锂。如果锂不能移动，电池就不能储存能量，是时候买一个新的了。