上圖從wiki中轉(zhuǎn)載的各種能量載體的能量密度。我們的手機(jī)，平板，筆記本，手表，以及赫赫有名的Tesla使用的電池，都是最左下角的鋰離子電池。（我怕大家找不到劇透一下）然后請(qǐng)尋找汽油，柴油，丁烷，丙烷，天然氣的位置。

--------------------------引子與正文的分界線(xiàn)---------------------

一：電池與燃料背后的簡(jiǎn)單化學(xué)

氧化還原

舉幾個(gè)例子：1）H2-2e=2H+ 氫原子只有一個(gè)電子，全參與反應(yīng)了， 電子轉(zhuǎn)移比是100%2）Li-e=Li+ 鋰原子有三個(gè)電子，只有一個(gè)參與反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移比是1/3=33%3）Zn-2e=Zn(2+) 鋅原子有三十個(gè)電子，只有兩個(gè)參與反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移比是2/30=6.7%對(duì)于大多數(shù)物質(zhì)，電子轉(zhuǎn)移比例都很低，原因前面提到過(guò)。由此可見(jiàn)只有在元素周期表的前兩行的輕原子有可能成為好的能量載體。前兩行元素只有10個(gè)，氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖。其中氦 與氖 都是惰性氣體，排除。氧與氟都是氧化劑，排除。氮大多數(shù)情況下都是準(zhǔn)惰性氣體，如果不是惰性氣體要么毒死人要么熏死人，排除。我們還剩下5個(gè)元素，氫(100%)，碳(66%)，硼(60%)，鈹(50%)，鋰(33%)。再進(jìn)一步說(shuō)，如果我們把一個(gè)原子當(dāng)成電池的負(fù)極。那么這個(gè)半電池的能量密度（質(zhì)量單位）可以用電子轉(zhuǎn)移數(shù)與原子量來(lái)估算。如此以來(lái)，上面的比例將更為懸殊。還以氫作為基準(zhǔn)：碳（4/12 33%) 硼（3/10.8 28%), 鈹（2/9,22%) 鋰（1/7,14%)大家很容易發(fā)現(xiàn)，最適合擔(dān)任能量載體的兩種元素分別是碳和氫，碳?xì)浠衔?，?shí)際上就是我們生活中常見(jiàn)的汽油柴油煤油天然氣等燃料。汽車(chē)選擇這些高能量載體作為能量來(lái)源，已經(jīng)是自然中的較優(yōu)解了。電池跟各種碳?xì)浠衔锵啾龋梢哉f(shuō)是天生不足。

二：電池的大問(wèn)題之一，擺不掉的電解液

原因很明顯。鋰或者鋰離子電池里面不光是金屬鋰，還有別的水貨。我查到了這么一個(gè)估算電池里面鋰含量的公式。

m=0.3*Ah.用人話(huà)說(shuō)，把電池容量（安時(shí)）乘以30%就能算出電池中的鋰含量（克）對(duì)于赫赫有名的18650（手機(jī)筆記本特斯拉）電池來(lái)說(shuō)，其重量在42g左右，標(biāo)稱(chēng)容量在2200mAh左右，于是其鋰含量為2200/1000*0.3=0.66g大概是總重量的1.5%。原來(lái)如此??！如此以來(lái)我們只要提升電池中的鋰含量就能提高能量密度了！！真要這么簡(jiǎn)單就好了。我們先來(lái)看看鋰電池除了鋰還有啥。

回來(lái)回來(lái)，看不懂圖就聽(tīng)我講，沒(méi)點(diǎn)耐性上啥么知乎？直接去天涯網(wǎng)易好了。

是的，燃燒必然涉及電子轉(zhuǎn)移，那么燃燒的電子轉(zhuǎn)移與電池的電子轉(zhuǎn)移根本區(qū)別在哪里？？是否有序。燃燒的電子轉(zhuǎn)移在微觀(guān)范疇上完全無(wú)序也不可控。我們完全沒(méi)法預(yù)測(cè)燃料與氧氣分子會(huì)往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，下一時(shí)刻的速率如何，我們也不知道燃料上的電子會(huì)向那個(gè)方向轉(zhuǎn)移到哪個(gè)氧氣分子上。10^20-23次方的分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與更多的電子的隨機(jī)轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的結(jié)果是無(wú)序的能量釋放，或者簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，放熱。電池相比而言就好辦點(diǎn)。盡管我們依舊不知道電池里面的每一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，但我們至少可以知道：金屬鋰只會(huì)在負(fù)極材料表面失去電子成為鋰離子；鋰離子會(huì)從負(fù)極出發(fā)，最終到達(dá)正極。電子只會(huì)從負(fù)極材料表面出發(fā)，向著高電勢(shì)的正極運(yùn)動(dòng)。10^20-23次方的電子的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，在宏觀(guān)上我們稱(chēng)之為，電流。總結(jié)一下吧。為了放電，為了有序的電子轉(zhuǎn)移，電池們不得不攜帶沒(méi)有能量但是必不可少的電解質(zhì)以及各種輔助材料，于是進(jìn)一步降低了自身的能量密度。這就完了么？沒(méi)有。老實(shí)說(shuō)這一部分只是個(gè)鋪墊，讓有興趣有耐心的人練練級(jí)，最終boss還沒(méi)出現(xiàn)呢。---

三：電池的大問(wèn)題之二，負(fù)極表面材料現(xiàn)在回顧上一部分的內(nèi)容。

由于不做功但是必不可少的電解質(zhì)以及其他輔助材料的存在，電池的能量密度被稀釋了。這些額外重量到底有多少？？電解質(zhì)的重量一般占電池全重15%（鏈接找不到了）隔膜沒(méi)查到。估計(jì)把外殼，外接電極之類(lèi)的輔助材料都算上，總重應(yīng)該不超過(guò)電池總重的50%。不對(duì)啊，電池雖然摻‘水’了，但也不至于水得如此啊。市面上的鋰離子電池們的能量密度也就單質(zhì)鋰的1%左右。這到底又發(fā)生了什么？（這句式為何這么熟悉呢？）喝點(diǎn)鮮橙多，讓我們看看最常見(jiàn)的鈷酸鋰電池（Tesla Roadster）的電化學(xué)反應(yīng)式。

假如我們認(rèn)為這兩個(gè)電子的做功是一致的，那么就可以估計(jì)一下這兩種能量載體的能量密度之比了。電池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /(1/6.9) =2.03% 電池完敗。考慮到電池有一半重量是輔助材料，我剛才沒(méi)算進(jìn)去。于是還得打個(gè)折。就剩下1%了。所以能量密度就成了這樣：鋰 43.1MJ/Kg 鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg呵呵呵呵呵呵呵……還跟得上么？？四則運(yùn)算多簡(jiǎn)單呀?，F(xiàn)在知道發(fā)生了什么了吧？？現(xiàn)在你們是否明白 我為啥說(shuō)：電池背后的化學(xué)限制了電池的能量密度。接下來(lái)我們的問(wèn)題是：為什么電池的化學(xué)反應(yīng)要那么復(fù)雜，直接降低了電池的能量密度。這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)說(shuō)會(huì)比較復(fù)雜，估計(jì)大部分人沒(méi)耐心看完。所以先給個(gè)簡(jiǎn)單答案：為了有序。好了，沒(méi)耐心的人，你們可以走了。下面真的很長(zhǎng)，能讀完的都不是一般人。開(kāi)始長(zhǎng)篇之前再放張圖：

負(fù)極的任務(wù)很簡(jiǎn)單，放電時(shí)保證鋰原子（不是離子）都在負(fù)極表面失去電子，充電時(shí)再把它們抓回來(lái)就好了。由于充電時(shí)陽(yáng)極電壓低，帶正電的鋰離子會(huì)自發(fā)向負(fù)極移動(dòng)，得到電子回歸為鋰原子。似乎沒(méi)有石墨什么事情??？？如果是一次性電池，確實(shí)不需要石墨。但如果是可充放電池，陽(yáng)極表面材料不是石墨也會(huì)是其它物質(zhì)。別賣(mài)關(guān)子了，快說(shuō)到底咋回事？？急啥。這得仔細(xì)想想。充電時(shí)，鋰離子會(huì)在負(fù)極表面得到電子成為鋰原子。然后呢？？我們都知道 所有金屬都是良好電子導(dǎo)體，鋰是金屬，所以鋰是良好電子導(dǎo)體。于是先到負(fù)極的鋰原子成為了負(fù)極的一部分，于是后到負(fù)極的鋰離子加入了前鋰的行列。。。。于是完全由鋰原子構(gòu)成的晶體出現(xiàn)了。這個(gè)過(guò)程，又稱(chēng)析晶。結(jié)果是鋰晶體會(huì)刺穿隔膜到達(dá)正極，于是電池短路報(bào)廢了。對(duì)于析晶這一現(xiàn)象，我們可以這么理解。在充電過(guò)程中，我們對(duì)于鋰離子的控制實(shí)際上很弱。我們只能保證鋰離子會(huì)移動(dòng)到負(fù)極表面，但我們無(wú)法保證鋰離子會(huì)均勻地分布在負(fù)極表面。因此在沒(méi)有外來(lái)約束條件下，充電時(shí)鋰晶體會(huì)在負(fù)極表面無(wú)序生長(zhǎng)，形成枝晶 （dendritic crystal）。所以一定要有個(gè)約束條件。要挖個(gè)坑讓鋰離子往里面跳。這個(gè)坑的具體表現(xiàn)即為負(fù)極表面的石墨材料。如上圖所示，石墨層之間的空隙夠大，足以容納單個(gè)鋰原子，但也只能容納單個(gè)鋰原子；然后石墨層與鋰原子之間的物理吸附作用可以穩(wěn)住鋰原子，于是鋰原子在沒(méi)有外來(lái)電壓時(shí)候也能安心待在負(fù)極表面。如此以來(lái)，鋰原子便不會(huì)野蠻生長(zhǎng)了。但能量密度也上不去了。

四：電池的大問(wèn)題之三，正極表面材料今天白天知乎特別的安靜，基本沒(méi)啥新提醒。

于是我明白，我得趕緊寫(xiě)完了。再不寫(xiě)完，也就真沒(méi)人看了。上一部分歸納總結(jié)一下，為了讓鋰原子在每次充電時(shí)能夠均勻有序地分布在負(fù)極表面，負(fù)極表面需要一層固化的結(jié)構(gòu)來(lái)約束（有序化，降低熵值）鋰原子的分布。這個(gè)設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。正極實(shí)際上也有同樣的問(wèn)題，為了讓鋰離子在每次放電時(shí)能夠均勻有序地分布在正極表面，正極表面需要一層固化的結(jié)構(gòu)來(lái)約束（有序化，降低熵值）鋰離子的分布。這個(gè)設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。但還不止。

我相信，能看到這里的人，一定有非凡的耐心，你們一定能明白這張圖的含義。這是電池正極材料充放電時(shí)結(jié)構(gòu)變化的示意圖。這里的M代表金屬原子，X代表氧原子。這張圖的各種原子的大小比例不要當(dāng)真。鋰離子要比另外兩個(gè)都小很多。我們可以看到，MX2們?cè)谡龢O基底上形成了幾層很規(guī)整（很有序）的結(jié)構(gòu)，放電時(shí)，電子在正極（正極）聚集，鋰離子向正極移動(dòng)，穿插進(jìn)入MX2結(jié)構(gòu)的空隙，從而有序的分布在正極表面。MX2中的金屬離子得到電子被還原，從而起到氧化劑的作用。然而這張圖實(shí)際上包含了另一個(gè)大問(wèn)題。大家有沒(méi)有覺(jué)得兩邊的結(jié)構(gòu)圖看上去特別的豆腐渣？？就像下面這樣？？

如果你玩過(guò)層層疊這種類(lèi)型的游戲，估計(jì)會(huì)知道，總有那么幾塊積木，看上去無(wú)關(guān)緊要，但只要一動(dòng)。。。。就成下面這樣子了。

這個(gè)結(jié)構(gòu)一旦坍塌，不可能自己回復(fù)的。怎么辦？適可而止，見(jiàn)好就收。套在電池正極這方面來(lái)說(shuō)的話(huà)，那就是正極表面必須保持一定量的鋰離子來(lái)維持結(jié)構(gòu)的完整。這個(gè)一定量，一般是50%。這是為啥前面那個(gè)反應(yīng)式會(huì)有一個(gè) 未知量 x。 即使是在充滿(mǎn)電的狀態(tài)下，還有近一半的鋰離子停留在正極表面。于是能量密度更低了。題外話(huà)：這也是為啥鋰電池很怕過(guò)度充電，一旦過(guò)度充電，陰極的鋰離子跑光了，這堆積木就要塌方了。。。五：電池的大問(wèn)題之四，材料選擇上的捉襟見(jiàn)肘，以及其它我假設(shè)看到這里的人完全理解了可充放電池設(shè)計(jì)上的種種限制。為了有序的電子轉(zhuǎn)移，為了有序的鋰離子與鋰原子的分布，電池需要電解質(zhì)以及各種輔助材料，需要在陰極陽(yáng)極表面有規(guī)整的結(jié)構(gòu)，而這些都是以能量密度為代價(jià)的。現(xiàn)在回到我開(kāi)頭的論點(diǎn)：1）電池技術(shù)太弱了： 這些設(shè)計(jì)多么巧妙，明明是人類(lèi)智慧之大成。2）電池技術(shù)大有可為：對(duì)于未來(lái)的展望，我們必須有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的態(tài)度。電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了百余年，早就過(guò)了爆發(fā)期；支持電池技術(shù)發(fā)展的理論科學(xué)為物理與化學(xué)，它們的理論大發(fā)展大突破都是在二戰(zhàn)前就已經(jīng)結(jié)束了?？深A(yù)見(jiàn)未來(lái)的電池技術(shù)，必然是基于現(xiàn)在的電池的發(fā)展。在民用領(lǐng)域，電池的能量密度是讓人最為頭疼的問(wèn)題之一，但又是最難解決的問(wèn)題.過(guò)去的電池能量密度之所以能不斷提高，是因?yàn)榭茖W(xué)家一直在找原子量更小的元素來(lái)充當(dāng)氧化劑，還原劑，以及支持結(jié)構(gòu)。于是我們見(jiàn)證了從鉛酸到鎳鎘，從鎳鎘到鎳氫，從鎳氫到現(xiàn)在的鋰離子的可充放電池發(fā)展歷程，但以后呢？還原劑方面：我在開(kāi)頭就說(shuō)過(guò)了。電子轉(zhuǎn)移比例高的元素就那么幾個(gè)：氫，碳，硼，鈹，鋰。其中適合作為可充電電池還原劑的只有鋰。氫，碳 只在燃料電池中出現(xiàn)。硼，鈹至今都不是主要的研究方向，我也不知道這是為什么。氧化劑方面：如果不用過(guò)渡金屬，那么選擇就是第二行第三行的主族元素。鹵素顯然不行，那么就剩下氧與硫?，F(xiàn)實(shí)是 鋰空氣電池（鋰 氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進(jìn)展都不樂(lè)觀(guān)。為啥？因?yàn)殡姵氐谋砻娼Y(jié)構(gòu)才是大問(wèn)題?，F(xiàn)在納米技術(shù)不是進(jìn)展很大么？以后科學(xué)家們肯定能用各種納米線(xiàn)納米管納米球納米碗石墨烯設(shè)計(jì)出精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)的。那些實(shí)驗(yàn)室們隔三差五的都會(huì)放出幾個(gè)大新聞啊。這倒也沒(méi)錯(cuò)，只是很可能會(huì)碰上隱藏boss。啥？？都到這里了你搬出來(lái)什么隱藏boss？？搞笑啊?。?！老子不看了?。。〔豢淳筒豢?，反正我也不會(huì)告訴你隱藏boss是啥么的。這個(gè)超出我專(zhuān)業(yè)范疇了。不過(guò)有兩個(gè)問(wèn)題，如果還有人，不妨想一下。1）石墨一直是鋰電池負(fù)極材料的不二選擇，事實(shí)上如果只考慮能量密度的話(huà)，金屬錫更適合作為負(fù)極材料。但到現(xiàn)在為止也就sony 推出過(guò) 錫電極的電池 （Sony nexelion 14430W1) 為什么會(huì)這樣？2) 除了鈷酸鋰之外，目前的其它鋰電池正極熱點(diǎn)材料 還有三元化合物L(fēng)i（NiCoMn）O2 磷酸鐵鋰 （LiFePO4） 然而由于壓實(shí)密度原因，采用這些材料的電池的容量并不如鈷酸鋰電池。為什么人們還要大力研究？？

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁(yè) >