究竟是什么限制了電池容量？對于這個問題，我們可以看到：電池容量=能量密度x電池體積。電池的大小自然要怎么做，能量密度是關(guān)鍵。所以問題可以理解為：目前的電池能量密度為什么很難提高？這句話的簡單答案是，電池背后的化學(xué)物質(zhì)限制了電池的能量密度。從wiki轉(zhuǎn)載的各種能量載體的能量密度。我們的手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、手表，以及著名的特斯拉電池用在鋰離子電池的左下角。然后請尋找汽油、柴油、丁烷、丙烷、天然氣的位置。估計(jì)大部分人會發(fā)現(xiàn)以下想法：1）電池技術(shù)太弱2）電池技術(shù)有前途一些比較好的人認(rèn)為它3）燃料電池技術(shù)將是明天的明星。我的想法：以上是幻覺，幻覺。一個.燃料電池與燃料背后的簡單化學(xué)做一點(diǎn)小知識回顧（或通俗）。我們生活中看到的燃料和電池，這種能量載體，主要與化學(xué)氧化還原反應(yīng)有關(guān)。能量載體參與特定化學(xué)過程的轉(zhuǎn)化，但總能概括為氧化還原反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子從還原劑轉(zhuǎn)移到氧化劑。你覺得像電池嗎？電池的負(fù)極是還原劑，正極是氧化劑（不是特別準(zhǔn)確）。電子從負(fù)極通過外電路到達(dá)陰極，然后順便做功：燈泡、驅(qū)動車輛、支撐手機(jī)和電腦。既然電子是能量的來源，那么我們可以通過電子密度。這里我們假設(shè)電子能做的功率是一致的（這顯然是錯誤的，實(shí)際上取決于氧化劑和還原劑的類型，但仔細(xì)檢查，對于普通的電池和燃料，這不是主要因素） .能量載體的電子密度，取決于體積計(jì)算，主要取決于兩個因素； 1．能量載體的體積密度。固體>液體>>>>氣體。這是一個很好的理解。 2。能量載體的電子轉(zhuǎn)移率。如果化學(xué)忘記了，這是很難理解的；如果有一些印象，這也是一個很好的理解。原子內(nèi)部的電子不參與化學(xué)反應(yīng)，自然不會轉(zhuǎn)移。只有外層會轉(zhuǎn)移工作。電子轉(zhuǎn)移比是參與反應(yīng)的電子數(shù)與分子總數(shù)的比值。一般來說，還原劑的外層電子數(shù)并沒有那么多，而是內(nèi)層數(shù)隨著原子數(shù)的增加而增加。更重要的是，質(zhì)子和中子增加后原子數(shù)增加，兩者都是質(zhì)量的主要來源。舉幾個例子：1）H2-2e=2H+氫原子只有一個電子，都參與反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移比為100%2) Li-e = Li + 鋰原子有3個電子，只有一個參與反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移比為1/3 = 33%3) Zn-2e = Zn2 + Zn原子有30個電子，只有兩種參與反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移比例為2/30 = 6.7%，對于大多數(shù)物質(zhì)來說，電子轉(zhuǎn)移的比例很低，原因前面提到過?？梢钥闯觯挥性刂芷诒砬皟尚兄械妮p原子很可能是良好的能量載體。前兩個元素只有10，氫氦鋰鈹硼，氮氧化碳。其中氦和氖是惰性氣體，排除。氧和氟是氧化劑。氮?dú)庠诖蠖鄶?shù)情況下是準(zhǔn)惰性氣體，如果不是惰性氣體或有毒的人要么被熏死，要么被排除在外。我們留下了五個元素，氫（100%）、碳（66%）、硼（60%）、鈹（50%）、鋰（33%）。另外，如果我們把一個原子作為電池的負(fù)極。然后可以通過轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和原子量來估計(jì)半電池的能量密度（質(zhì)量單位）。此后，上述比例將更加懸殊。同樣以氫為基準(zhǔn)：碳(4 / 12,33%) 硼(3 / 10.8,28%) 鈹(2 / 9,22%) 鋰(1 / 7,14%) 不難發(fā)現(xiàn)最適合的兩種元素能源載體是碳和氫，以及碳?xì)浠衔?，它們?shí)際上是常見的汽油和柴油燃料以及其他燃料。汽車選用這些高能載體作為能源，已經(jīng)是一種較好的解決方案。與多種碳?xì)浠衔锏碾姵叵啾?，可以說是先天不足。二：電池的大問題之一，把電解液拿出來根據(jù)上面的解釋，我們可以知道電池的燃料密度很難超過能量密度，但似乎能達(dá)到燃料水平的一半到1/4的水平。然而，實(shí)際上電池的能量密度往往低于燃料的 1%。不信數(shù)據(jù)。能量密度對比：汽油46.4MJ/Kg，鋰電池43.1MJ/Kg，鋰電池（不能充電）1.8MJ/Kg，鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg，其實(shí)能量密度汽油和鋰真的少得多。主要原因是碳到氧的電子轉(zhuǎn)移功不夠大（共價鍵可以不同）而是從鋰電池到鋰電池。然后到了鋰離子電池，這中間發(fā)生了什么？原因很明顯。里面的鋰或者鋰離子電池不只是金屬鋰，還有其他的水貨。我找到了這樣一個公式來估算電池里面的鋰含量。 http://www.ponytest.com/document/battery.pdfM=0.3*啊。用話說，電池容量（安全性）乘以30%就可以計(jì)算出電池的鋰含量（g） 眾所周知的18650（手機(jī)筆記本特斯拉）電池，它的重量在42g左右，標(biāo)稱容量2200mAh左右，所以它的鋰含量2200/1000 * 0.3 = 0.66g 大約是總重量的1.5%。所以啊！以至于我們只有提升電池的鋰含量才能提高能量密度！真的很簡單。我們先來看看鋰電池除了鋰還有什么啥。別走！我聽不懂你可以聽。一般來說，電池的四個組成部分是至關(guān)重要的：正極（放電為正極）、負(fù)極（放電為負(fù)極）、電解液、隔膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，重要的位置可以理解。但是電解質(zhì)有什么用呢？不工作的重量仍然很重。然后看圖。圖中顯示電池的充放電過程非常好。這里先說只放電：電池內(nèi)部，金屬鋰損失的負(fù)電子被氧化成鋰離子，通過電解液向正極轉(zhuǎn)移；正極材料被電子被還原，被正鋰離子中和。電解質(zhì)的理想作用是僅運(yùn)輸和攜帶鋰離子。在電池外部，電子從負(fù)極通過外部電路向正極轉(zhuǎn)移，中間做功。理想情況下，電解質(zhì)應(yīng)該是鋰離子的良好載體，但不能是良好的電子載體。因此，在沒有外部電路的情況下，電子無法從電池內(nèi)部的負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極；只有外部電路的存在，才能進(jìn)行電子傳遞。“你不是說”能量載體參與了特定化學(xué)過程的變化過程，但總歸結(jié)為一個氧化還原反應(yīng)。 ”“氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子從還原劑轉(zhuǎn)移到氧化劑，”汽油車沒有電解液，但是汽油燃燒有電子燃燒，你們不能動力嗎？是的，燃燒必然涉及電子轉(zhuǎn)移，那么燃燒電子轉(zhuǎn)移和電池的電子轉(zhuǎn)移根本不同在哪里？是有序的嗎？燃燒電子轉(zhuǎn)移在微觀范疇是完全無序的。我們無法預(yù)測燃料和氧分子下一刻會朝哪個方向移動，我們也不知道燃料上的電子會朝哪個方向轉(zhuǎn)移。 10×20-23次的分子隨機(jī)運(yùn)動伴隨著更多電子的隨機(jī)轉(zhuǎn)移導(dǎo)致無序能量釋放的結(jié)果，或者簡單地說，放熱。電池比觀點(diǎn)好。雖然我們?nèi)匀徊恢离姵貎?nèi)部每個分子的運(yùn)動軌跡，但我們至少可以知道：金屬鋰只會失去負(fù)極材料的表面變成鋰離子；鋰離子從負(fù)極出發(fā)，最終到達(dá)正極。電子僅從陽極材料表面向高電位的正電位移動。 10 ^ 20-23 倍于協(xié)同運(yùn)動的電子，在宏觀上我們稱之為電流?？偨Y(jié)一下，為了放電，為了有序的電子傳遞，電池必須不攜帶能量，但必須攜帶電解質(zhì)和各種輔助材料，所以進(jìn)一步降低它們的能量密度。這就結(jié)束了嗎？沒有。老實(shí)說這部分只是鋪墊而已。三：電池的大問題，負(fù)極面材大家好，我回來了已經(jīng)上了一個層次?，F(xiàn)在復(fù)習(xí)上一節(jié)的內(nèi)容。什么？被遺忘的一切？不是一個字？電池的能量密度被稀釋了，因?yàn)闆]有功但必需的電解質(zhì)和其他輔助材料的存在。這些額外的重量到底有多少？電解液的重量一般占電池總重量的15%（鏈接找不到）。估計(jì)外殼、外電極等輔助材料算上，總重量應(yīng)該不會超過電池總重量的50%。不是啊，雖然電池中混入了“水”，但也沒那么多水啊.市場上的鋰離子電池能量密度也在1%鋰左右。發(fā)生了什么？這句話怎么這么眼熟？多喝點(diǎn)鮮橙，讓我們看看最常見的鈷酸鋰（Tesla Roadster）電化學(xué)反應(yīng)。其實(shí)只是鋰和鈷的一部分轉(zhuǎn)移，其他元素不參與電子轉(zhuǎn)移。那我們做個小計(jì)算：元素鋰原子量為6.9，可以促成一個電子參與電子轉(zhuǎn)移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。與鈷酸鋰電池反應(yīng)的反應(yīng)物總分子量為98+72=170，但只有一半的電子參與了電子轉(zhuǎn)移。因?yàn)橹挥胁糠咒囋訒l(fā)生反應(yīng)。如果我們認(rèn)為兩個電子的功相同，那么可以估算出這兩個能量載體的能量密度比。電池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170 )/(1/6.9) = 2.03% 電池是完整的?？紤]到電池有一半的輔助材料重量，我沒有算過。所以必須打折。剩下的1%。所以能量密度變成了這樣：鋰電池43.1MJ/Kg鋰離子電池0.36~0.875MJ/KgHa哈哈哈哈哈哈……還跟得上嗎？這四個操作更簡單啊。現(xiàn)在知道發(fā)生了什么了吧？現(xiàn)在你明白我為什么說：電池背后的化學(xué)作用限制了電池的能量密度。接下來我們的問題是：為什么電池的化學(xué)反應(yīng)要這么復(fù)雜，直接降低了電池的能量密度。這個問題將再復(fù)雜一點(diǎn)，估計(jì)大部分人都沒有耐心看完。所以給出一個簡單的答案：為了有序。好吧，沒有耐心，你可以去。下面真的很長，一般人看不懂。在放圖前開始：剩下的同學(xué)，是不是很熟悉這張圖？其實(shí)鋰電池圖，只不過這次因?yàn)殛帢O陽極表面結(jié)構(gòu)而被展示出來。你覺得他們的規(guī)矩很整齊??？ Neat規(guī)則改變順序，有序。為什么表面結(jié)構(gòu)的正極需要有序？因?yàn)橐ＷC充/放電時氧化還原反應(yīng)只發(fā)生在正負(fù)極表面，這樣才有電流。我們看石墨（C6）在哪里負(fù)極。負(fù)極的任務(wù)很簡單，保證放電的鋰原子（不是離子）丟失在電子的負(fù)極表面，給它們充電，然后又把它抓回來。由于充電時負(fù)極電壓低，帶正電的鋰離子自發(fā)地向負(fù)極移動，電子又回到鋰原子上。好像沒有石墨的東西??？如果是一次性電池，則不需要石墨。但是如果是對電池進(jìn)行充放電，陽極表面的材料不是石墨會是其他物質(zhì)。別賣掉了孩子，很快就結(jié)束了 編者注 TheHills 想了很多。充電時，電子負(fù)極表面的鋰離子變成鋰原子。接著？我們都知道所有金屬都是良好的電子導(dǎo)體，鋰是金屬，所以鋰是良好的電子導(dǎo)體。所以先把負(fù)極的鋰原子變成負(fù)極的一部分，再回到負(fù)極的鋰離子加入到前鋰的行列中。出現(xiàn)了完全由鋰原子組成的晶體。這個過程，也稱為水晶。結(jié)果就是鋰結(jié)晶會刺穿隔膜到正極，所以電池短路報廢。對于結(jié)晶這種現(xiàn)象，我們可以這么理解。在充電過程中，我們對鋰離子的控制其實(shí)是很弱的.我們只能保證鋰離子會移動到負(fù)極表面，但不能保證鋰離子會均勻分布在負(fù)極表面。因此，在沒有外部約束的情況下，鋰晶體會在帶電的負(fù)極表面無限生長，形成枝晶（dendritic crystal）。所以必須有一個約束。挖一個坑讓里面的鋰離子跳躍。這個坑的具體表現(xiàn)是石墨材料的陰極表面。如上圖所示，石墨層之間的間隙大到可以容納單個鋰原子，但只能容納單個鋰原子；然后石墨層與鋰原子之間的物理吸附可以吸附鋰原子，在沒有外加電壓的情況下也可以放心地當(dāng)負(fù)極表面。所以，鋰原子不會被野蠻生長。但是能量密度上不去。四：電池的大問題三、正極表面材料為了讓鋰原子在每次充電時都能均勻均勻的分布在負(fù)極表面，負(fù)極表面需要固化結(jié)構(gòu)來約束（有序，降低熵）鋰原子的分布。這種設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。正極其實(shí)也有同樣的問題。為了讓鋰離子在每次放電時均勻均勻地分布在正極表面，正極表面需要一層固化結(jié)構(gòu)來約束（有序，降低熵）鋰離子的分布。這種設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。但不止于此，這是圖中電池正極材料充放電結(jié)構(gòu)的變化。其中M代表金屬原子，X代表氧原子。這個數(shù)字的各個原子的大小不要當(dāng)真。鋰離子比其他兩個小很多。我們可以看到MX2在正極基板上形成了幾層非常結(jié)構(gòu)化（非常有序）的結(jié)構(gòu)，放電時，電子在正極（正極）聚集，鋰離子移動向正極，穿插到MX2結(jié)構(gòu)的間隙中，從而在正極表面有序分布。 MX2中的金屬離子被電子還原，從而起到氧化劑的作用。一旦這個結(jié)構(gòu)坍塌，就無法回復(fù)了。怎么辦？就這一點(diǎn)而言，停在電池正極就足夠了，即正極表面必須保持一定量的鋰離子，才能保持結(jié)構(gòu)的完整性。這個數(shù)量，通常是 50%。這就是為什么前面的反應(yīng)會有未知數(shù)量的 x。即使在充滿電的狀態(tài)下，也有近一半的鋰離子停留在正極表面。所以能量密度更低。題外話：這就是為什么鋰電池怕過充，一旦過充，鋰離子的陰極跑，這堆木頭就會塌。五：大問題電池之四，拉伸材料的選擇等我想這里的人都清楚充電電池的設(shè)計(jì)限制。為了電子的有序轉(zhuǎn)移，為了鋰離子和鋰原子的有序分布，電池需要電解質(zhì)和各種輔助材料，陰極陽極表面需要有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，這是以能量密度為代價的。現(xiàn)在回到我的論點(diǎn)：1）電池技術(shù)太弱：這些設(shè)計(jì)多么巧妙，顯然是人類智慧的結(jié)晶。2）電池技術(shù)前景廣闊：對于未來的展望，我們必須有一個現(xiàn)實(shí)的態(tài)度。電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100多年，長期處于爆發(fā)期；支持電池技術(shù)發(fā)展的物理化學(xué)理論，他們的大發(fā)展，二戰(zhàn)的大突破已經(jīng)結(jié)束?？深A(yù)見的未來電池技術(shù)，必須立足于當(dāng)前電池的發(fā)展。在民用領(lǐng)域，電池的能量密度是最頭疼的問題之一，但卻是最難解決的問題。過去的電池能量密度之所以能夠不斷提高，是因?yàn)榭茖W(xué)家一直在尋找原子量更小的元素充當(dāng)氧化劑、還原劑和支撐結(jié)構(gòu)。所以我們見證了從鉛酸到鎳鎘，從鎳鎘到鎳氫，從鎳氫到現(xiàn)在的鋰離子充電電池的發(fā)展過程，但是后來呢？ 還原劑：我一開始就說了。電子轉(zhuǎn)移比例高的元素有幾種：氫、碳、硼、鈹、鋰。其中適合作為充電電池還原劑的只有鋰。氫、碳只出現(xiàn)在燃料電池中。硼、鈹不是主要研究方向，不知道為什么會這樣。鹵素不夠，則剩下氧和硫?，F(xiàn)實(shí)情況是，鋰空氣電池（氧化鋰）和鋰硫電池有很多人研究，但進(jìn)展并不樂觀。為什么？因?yàn)殡姵乇砻娼Y(jié)構(gòu)是個大問題。納米技術(shù)現(xiàn)在進(jìn)步很大嗎？科學(xué)家們一定能夠利用各種納米線、納米管、納米球、石墨烯納米碗設(shè)計(jì)出精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)。那些實(shí)驗(yàn)室分開會放出幾個大新聞啊。但是有兩個問題，不妨思考一下。1）石墨一直是鋰電池負(fù)極材料的選擇，其實(shí)如果只考慮能量密度，則金屬錫更適合作為負(fù)極材料。但是到目前為止sony也推出了錫電極電池（Sony nexelion 14430W1）為什么會這樣？2）除了鈷酸鋰，目前的其他鋰電池正極材料也是三元化合物L(fēng)i（NiCoMn）O2磷酸鐵鋰（LiFePO4 ) 但是，由于壓實(shí)密度的原因，使用這些材料的電池的容量不如鈷鋰電池。人為什么要努力學(xué)習(xí)？這
資料來源：Meeyou Carbide