究竟是什么限制了电池的容量？

上图从wiki中转载的各种能量载体的能量密度。我们的手机，平板，笔记本，手表，以及赫赫有名的Tesla使用的电池，都是最左下角的锂离子电池。（我怕大家找不到剧透一下）然后请寻找汽油，柴油，丁烷，丙烷，天然气的位置。

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一：电池与燃料背后的简单化学

氧化还原

举几个例子：1）H2-2e=2H+ 氢原子只有一个电子，全参与反应了， 电子转移比是100%2）Li-e=Li+ 锂原子有三个电子，只有一个参与反应，电子转移比是1/3=33%3）Zn-2e=Zn(2+) 锌原子有三十个电子，只有两个参与反应，电子转移比是2/30=6.7%对于大多数物质，电子转移比例都很低，原因前面提到过。由此可见只有在元素周期表的前两行的轻原子有可能成为好的能量载体。前两行元素只有10个，氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖。其中氦 与氖 都是惰性气体，排除。氧与氟都是氧化剂，排除。氮大多数情况下都是准惰性气体，如果不是惰性气体要么毒死人要么熏死人，排除。我们还剩下5个元素，氢(100%)，碳(66%)，硼(60%)，铍(50%)，锂(33%)。再进一步说，如果我们把一个原子当成电池的负极。那么这个半电池的能量密度（质量单位）可以用电子转移数与原子量来估算。如此以来，上面的比例将更为悬殊。还以氢作为基准：碳（4/12 33%) 硼（3/10.8 28%), 铍（2/9,22%) 锂（1/7,14%)大家很容易发现，最适合担任能量载体的两种元素分别是碳和氢，碳氢化合物，实际上就是我们生活中常见的汽油柴油煤油天然气等燃料。汽车选择这些高能量载体作为能量来源，已经是自然中的较优解了。电池跟各种碳氢化合物相比，可以说是天生不足。

二：电池的大问题之一，摆不掉的电解液

原因很明显。锂或者锂离子电池里面不光是金属锂，还有别的水货。我查到了这么一个估算电池里面锂含量的公式。

m=0.3*Ah.用人话说，把电池容量（安时）乘以30%就能算出电池中的锂含量（克）对于赫赫有名的18650（手机笔记本特斯拉）电池来说，其重量在42g左右，标称容量在2200mAh左右，于是其锂含量为2200/1000*0.3=0.66g大概是总重量的1.5%。原来如此啊！如此以来我们只要提升电池中的锂含量就能提高能量密度了！！真要这么简单就好了。我们先来看看锂电池除了锂还有啥。

回来回来，看不懂图就听我讲，没点耐性上啥么知乎？直接去天涯网易好了。

是的，燃烧必然涉及电子转移，那么燃烧的电子转移与电池的电子转移根本区别在哪里？？是否有序。燃烧的电子转移在微观范畴上完全无序也不可控。我们完全没法预测燃料与氧气分子会往哪个方向运动，下一时刻的速率如何，我们也不知道燃料上的电子会向那个方向转移到哪个氧气分子上。10^20-23次方的分子的随机运动与更多的电子的随机转移导致的结果是无序的能量释放，或者简单点说，放热。电池相比而言就好办点。尽管我们依旧不知道电池里面的每一个分子的运动轨迹，但我们至少可以知道：金属锂只会在负极材料表面失去电子成为锂离子；锂离子会从负极出发，最终到达正极。电子只会从负极材料表面出发，向着高电势的正极运动。10^20-23次方的电子的协同运动，在宏观上我们称之为，电流。总结一下吧。为了放电，为了有序的电子转移，电池们不得不携带没有能量但是必不可少的电解质以及各种辅助材料，于是进一步降低了自身的能量密度。这就完了么？没有。老实说这一部分只是个铺垫，让有兴趣有耐心的人练练级，最终boss还没出现呢。---

三：电池的大问题之二，负极表面材料现在回顾上一部分的内容。

由于不做功但是必不可少的电解质以及其他辅助材料的存在，电池的能量密度被稀释了。这些额外重量到底有多少？？电解质的重量一般占电池全重15%（链接找不到了）隔膜没查到。估计把外壳，外接电极之类的辅助材料都算上，总重应该不超过电池总重的50%。不对啊，电池虽然掺‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的锂离子电池们的能量密度也就单质锂的1%左右。这到底又发生了什么？（这句式为何这么熟悉呢？）喝点鲜橙多，让我们看看最常见的钴酸锂电池（Tesla Roadster）的电化学反应式。

假如我们认为这两个电子的做功是一致的，那么就可以估计一下这两种能量载体的能量密度之比了。电池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /(1/6.9) =2.03% 电池完败。考虑到电池有一半重量是辅助材料，我刚才没算进去。于是还得打个折。就剩下1%了。所以能量密度就成了这样：锂 43.1MJ/Kg 锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg呵呵呵呵呵呵呵……还跟得上么？？四则运算多简单呀。现在知道发生了什么了吧？？现在你们是否明白 我为啥说：电池背后的化学限制了电池的能量密度。接下来我们的问题是：为什么电池的化学反应要那么复杂，直接降低了电池的能量密度。这个问题展开说会比较复杂，估计大部分人没耐心看完。所以先给个简单答案：为了有序。好了，没耐心的人，你们可以走了。下面真的很长，能读完的都不是一般人。开始长篇之前再放张图：

负极的任务很简单，放电时保证锂原子（不是离子）都在负极表面失去电子，充电时再把它们抓回来就好了。由于充电时阳极电压低，带正电的锂离子会自发向负极移动，得到电子回归为锂原子。似乎没有石墨什么事情啊？？如果是一次性电池，确实不需要石墨。但如果是可充放电池，阳极表面材料不是石墨也会是其它物质。别卖关子了，快说到底咋回事？？急啥。这得仔细想想。充电时，锂离子会在负极表面得到电子成为锂原子。然后呢？？我们都知道 所有金属都是良好电子导体，锂是金属，所以锂是良好电子导体。于是先到负极的锂原子成为了负极的一部分，于是后到负极的锂离子加入了前锂的行列。。。。于是完全由锂原子构成的晶体出现了。这个过程，又称析晶。结果是锂晶体会刺穿隔膜到达正极，于是电池短路报废了。对于析晶这一现象，我们可以这么理解。在充电过程中，我们对于锂离子的控制实际上很弱。我们只能保证锂离子会移动到负极表面，但我们无法保证锂离子会均匀地分布在负极表面。因此在没有外来约束条件下，充电时锂晶体会在负极表面无序生长，形成枝晶 （dendritic crystal）。所以一定要有个约束条件。要挖个坑让锂离子往里面跳。这个坑的具体表现即为负极表面的石墨材料。如上图所示，石墨层之间的空隙够大，足以容纳单个锂原子，但也只能容纳单个锂原子；然后石墨层与锂原子之间的物理吸附作用可以稳住锂原子，于是锂原子在没有外来电压时候也能安心待在负极表面。如此以来，锂原子便不会野蛮生长了。但能量密度也上不去了。

四：电池的大问题之三，正极表面材料今天白天知乎特别的安静，基本没啥新提醒。

于是我明白，我得赶紧写完了。再不写完，也就真没人看了。上一部分归纳总结一下，为了让锂原子在每次充电时能够均匀有序地分布在负极表面，负极表面需要一层固化的结构来约束（有序化，降低熵值）锂原子的分布。这个设计在很大程度上稀释了电池的能量密度。正极实际上也有同样的问题，为了让锂离子在每次放电时能够均匀有序地分布在正极表面，正极表面需要一层固化的结构来约束（有序化，降低熵值）锂离子的分布。这个设计在很大程度上稀释了电池的能量密度。但还不止。

我相信，能看到这里的人，一定有非凡的耐心，你们一定能明白这张图的含义。这是电池正极材料充放电时结构变化的示意图。这里的M代表金属原子，X代表氧原子。这张图的各种原子的大小比例不要当真。锂离子要比另外两个都小很多。我们可以看到，MX2们在正极基底上形成了几层很规整（很有序）的结构，放电时，电子在正极（正极）聚集，锂离子向正极移动，穿插进入MX2结构的空隙，从而有序的分布在正极表面。MX2中的金属离子得到电子被还原，从而起到氧化剂的作用。然而这张图实际上包含了另一个大问题。大家有没有觉得两边的结构图看上去特别的豆腐渣？？就像下面这样？？

如果你玩过层层叠这种类型的游戏，估计会知道，总有那么几块积木，看上去无关紧要，但只要一动。。。。就成下面这样子了。

这个结构一旦坍塌，不可能自己回复的。怎么办？适可而止，见好就收。套在电池正极这方面来说的话，那就是正极表面必须保持一定量的锂离子来维持结构的完整。这个一定量，一般是50%。这是为啥前面那个反应式会有一个 未知量 x。 即使是在充满电的状态下，还有近一半的锂离子停留在正极表面。于是能量密度更低了。题外话：这也是为啥锂电池很怕过度充电，一旦过度充电，阴极的锂离子跑光了，这堆积木就要塌方了。。。五：电池的大问题之四，材料选择上的捉襟见肘，以及其它我假设看到这里的人完全理解了可充放电池设计上的种种限制。为了有序的电子转移，为了有序的锂离子与锂原子的分布，电池需要电解质以及各种辅助材料，需要在阴极阳极表面有规整的结构，而这些都是以能量密度为代价的。现在回到我开头的论点：1）电池技术太弱了： 这些设计多么巧妙，明明是人类智慧之大成。2）电池技术大有可为：对于未来的展望，我们必须有一个现实的态度。电池技术已经发展了百余年，早就过了爆发期；支持电池技术发展的理论科学为物理与化学，它们的理论大发展大突破都是在二战前就已经结束了。可预见未来的电池技术，必然是基于现在的电池的发展。在民用领域，电池的能量密度是让人最为头疼的问题之一，但又是最难解决的问题.过去的电池能量密度之所以能不断提高，是因为科学家一直在找原子量更小的元素来充当氧化剂，还原剂，以及支持结构。于是我们见证了从铅酸到镍镉，从镍镉到镍氢，从镍氢到现在的锂离子的可充放电池发展历程，但以后呢？还原剂方面：我在开头就说过了。电子转移比例高的元素就那么几个：氢，碳，硼，铍，锂。其中适合作为可充电电池还原剂的只有锂。氢，碳 只在燃料电池中出现。硼，铍至今都不是主要的研究方向，我也不知道这是为什么。氧化剂方面：如果不用过渡金属，那么选择就是第二行第三行的主族元素。卤素显然不行，那么就剩下氧与硫。现实是 锂空气电池（锂 氧）与锂硫电池都有很多人研究，但进展都不乐观。为啥？因为电池的表面结构才是大问题。现在纳米技术不是进展很大么？以后科学家们肯定能用各种纳米线纳米管纳米球纳米碗石墨烯设计出精细有序的表面结构的。那些实验室们隔三差五的都会放出几个大新闻啊。这倒也没错，只是很可能会碰上隐藏boss。啥？？都到这里了你搬出来什么隐藏boss？？搞笑啊！！！老子不看了！！！不看就不看，反正我也不会告诉你隐藏boss是啥么的。这个超出我专业范畴了。不过有两个问题，如果还有人，不妨想一下。1）石墨一直是锂电池负极材料的不二选择，事实上如果只考虑能量密度的话，金属锡更适合作为负极材料。但到现在为止也就sony 推出过 锡电极的电池 （Sony nexelion 14430W1) 为什么会这样？2) 除了钴酸锂之外，目前的其它锂电池正极热点材料 还有三元化合物Li（NiCoMn）O2 磷酸铁锂 （LiFePO4） 然而由于压实密度原因，采用这些材料的电池的容量并不如钴酸锂电池。为什么人们还要大力研究？？