小编在摸鱼把玩手机时，发现手机电量转瞬即逝，这让我不得不感慨一声，转身寻找充电器了。

为什么我们的手机越来越不经用呢？这还得从我们的电池说起。

手机电池的早期产品

1973 年，世界上第一部手机在摩托罗拉实验室诞生[1]。这一款手机非常笨重，但是得益于手机内置的镍镉电池，这部手机能够脱离繁杂的电子线路，实现实时的移动通话。

镍镉电池作为第一个内置在手机的电池，本身较为笨重。在上个世纪流行的“大哥大电话”，大多采用镍镉电池。镍镉电池的容量低，而且含有毒害性较强的镉，不利于生态环境的保护。并且镍镉电池还具有非常明显的记忆效应：在充电前如果电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低。

镍镉电池的基本结构[2]

1990 年，日本索尼公司最早研发出镍氢电池。相比于它的老前辈，镍氢电池不仅能够做的更加轻薄、容量也得到有效提升[3]。镍氢电池的出现使手机变得更为便携，手机也能够支撑更长时间的通话。因此，随着镍氢电池的出现，笨重的镍镉电池被逐步取代，小巧的移动手机得以流行。但是镍氢电池仍然存在记忆效应，这也是上一代的手机需要完全放电后再充电的原因。并且，由于镍镉电池的能量密度有限，因此当时的手机只能支持拨打电话等较为简单的任务，离现在我们的智能手机形态还有较大的差距。

锂电池的崛起

金属锂于十九世纪被发现。由于锂具有相对较低的密度、较高的容量以及相对较低的电势，因此作为原电池有得天独厚的优势。但是，锂是非常活泼的碱金属元素，导致金属锂的保存、使用或是加工对环境要求非常高，并且都比其他金属要复杂得多。因此，在研究以锂作为电极材料的锂电池的过程中，科学家们通过对锂电池不断发展、改进，克服了诸多研究难题，经过了很多阶段，才最终让它成为如今的模样。

采用金属锂作为负极的锂电池首先实现了商业化。1970 年日本松下公司发明了氟碳化物锂电池，这类电池的理论容量大，并且放电功率稳定，自放电现象小。但是这类电池无法进行充电，属于一次锂电池[2]。

20 世纪 70 年代，来自埃克森美孚公司（ExxonMobil）的研发人员斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）提出了离子插层的电池充放电原理，并在 1975 年发表了二硫化钛锂电池的专利。在 1977 年，供职于埃克森公司的惠廷厄姆团队开发出了以铝锂合金 Li-Al 为负极、二硫化钛 TiS₂ 为正极的二次电池，其中铝锂合金可以提高金属锂的稳定性增强电池的安全性[2]。在放电过程中，电池发生的电化学过程为：

负极：Li - e- → Li

正极：xLi TiS₂ xe- → LixTiS₂

其中 TiS₂ 为层状化合物，层与层之间为相互作用较弱的范德华力（Van der Waals Force），体积较小的锂离子能够进入 TiS₂ 的层间并发生电荷转移，并贮存锂离子，类似于将果酱挤入三明治中，这个过程为离子的插层[4][5]。在放电过程中，正极的 TiS₂ 层间插入电解液中的 Li 离子，接受电荷并形成 LixTiS₂。

TiS₂ 的结构以及放电过程中发生插层反应的原理[6]

这一阶段的二次锂电池主要都采用了金属锂作为负极材料，通过改进正极材料提高电池的寿命和安全性。作为最早实现商业化的二次锂电池，采用金属锂作为负极材料具有较低的负极电势，电池的能量密度高，并且较为便携，但是它的安全性也受到了广泛的质疑。1989 年春末加拿大公司 Moli Energy 生产的第一代金属锂电池发生了爆炸事件,这也使得金属锂电池的商业化一度陷入了停滞[2]。

为了提升锂电池的安全性，研发新型电极材料对锂电池非常重要。但是，使用其他锂的化合物作为负极代替锂，会提升负极电势，降低锂电池的能量密度，使电池容量降低。因此，寻找合适的新型电极材料也成为锂电池研究领域的一道难题。

1980 年前后，任教于英国牛津大学的约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John Bannister Goodenough）等人发现了能够容纳锂离子的化合物钴酸锂 LiCoO₂（LCO）。LiCoO₂ 相比于当时其他各类正极材料都具有更高的电势。这使得采用 LiCoO₂ 作为正极的锂电池能够提供更高电压，具有更高的电池容量。[7][8]

钴酸锂晶体结构示意图[9]

钴酸锂晶体为层状结构，属于六方晶系。其中，O 与 Co 原子构成的八面体格子在平面上排列成 CoO₂ 层，并且 CoO₂ 层之间被锂离子相互间隔，并形成一个平面状的锂离子传输通道。这使钴酸锂能够通过平面状的锂离子通道较快地传输锂离子。锂离子在钴酸锂中的脱离与嵌入过程类似一个插层过程。在轻度充放电过程中，钴酸锂能够保持晶体结构的稳定。但是随着锂离子的逐渐脱出，钴酸锂具有向单斜晶系转变的倾向[2]。以钴酸锂作为正极的锂电池中，在放电过程中，正极发生的反应为：

正极：Li1-xCoO₂ xLi xe- → LiCoO₂