大学 · 30 分钟
锂离子电池内部：Li⁺ 穿梭
追踪放电时 Li⁺ 经负极、电解质到正极的路径，改变倍率，并把穿梭图景与容量衰减及快充极限联系起来。
目标
写出放电半反应 与 ，并解释隔膜为何必须导 Li⁺ 而阻电子。
仪器与试剂
虚拟电芯：带速率控制的三段流程图；读数思路——数每秒穿过隔膜的 Li⁺。
步骤
- 将速率调至最小，观察一个 Li⁺ 离开负极：写出它所代表的脱嵌半反应。
- 跟随它穿过隔膜：电子不能走这条路——它们去哪里？
- 在正极，离子嵌入氧化物层间：联系为何选用 或 NMC 层状宿主材料。
- 把速率调到最大：想象哪一段成为瓶颈（颗粒内的固相扩散），这对快充意味着什么。
观察要点
- Li⁺ 与电子在负极分离、在正极重逢——离子穿过电芯，电子经导线做功。
- 内部只有离子移动；虚线隔膜允许离子通过，但其聚合物壁阻止电子抄近路（否则会短路）。
- 放电越快，每秒迁移的离子越多——同一图景解释了高倍率下的发热与扩散极限。
讲解
锂离子电池之所以可行，是因为 Li⁺ 能进出宿主晶格而不破坏它们：石墨在石墨烯层间容纳 Li（最多 ，理论 372 mAh/g）， 等层状氧化物再接收回来，输出约 3.7 V。电解质必须导 Li⁺ 且绝缘电子——多孔聚乙烯隔膜提供物理屏障。衰减机制（SEI 增厚、快充时析锂、正极开裂）都表现为穿梭失去乘客。
实验史话
惠廷厄姆制成首个锂电电极（，1976），古迪纳夫发现 4 V 的 正极（1980），吉野彰实现碳负极商业化电池（索尼，1991）——2019 年诺贝尔奖。
相关化学家
虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型，不能替代真实实验和安全培训；没有指导请勿在家自行重复。