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、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做一點小知識回顧（或通俗）。我們生活中看到的燃料和電池，這種能量載體，主要與化學氧化還原反應(yīng)有關(guān)。能量載體參與特定化學過程的轉(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？電池的負極是還原劑，正極是氧化劑（不是特別準確）。電子從負極通過外電路到達陰極，然后順便做功：燈泡、驅(qū)動車輛、支撐手機和電腦。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，實際上取決于氧化劑和還原劑的類型，但仔細檢查，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。氮氣在大多數(shù)情況下是準惰性氣體，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極。然后可以通過轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和原子量來估計半電池的能量密度（質(zhì)量單位）。此后，上述比例將更加懸殊。同樣以氫為基準：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，以及碳氫化合物，它們實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。與多種碳氫化合物的電池相比，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，但似乎能達到燃料水平的一半到1/4的水平。然而，實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%就可以計算出電池的鋰含量（g） 眾所周知的18650（手機筆記本特斯拉）電池，它的重量在42g左右，標稱容量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?。∫灾劣谖覀冎挥刑嵘姵氐匿嚭坎拍芴岣吣芰棵芏?！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）、負極（放電為負極）、電解液、隔膜。正負極是發(fā)生化學反應(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)的理想作用是僅運輸和攜帶鋰離子。在電池外部，電子從負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)部的負極轉(zhuǎn)移到正極；只有外部電路的存在，才能進行電子傳遞?！澳悴皇钦f”能量載體參與了特定化學過程的變化過程，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次的分子隨機運動伴隨著更多電子的隨機轉(zhuǎn)移導致無序能量釋放的結(jié)果，或者簡單地說，放熱。電池比觀點好。雖然我們?nèi)匀徊恢离姵貎?nèi)部每個分子的運動軌跡，但我們至少可以知道：金屬鋰只會失去負極材料的表面變成鋰離子；鋰離子從負極出發(fā)，最終到達正極。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，所以進一步降低它們的能量密度。這就結(jié)束了嗎？沒有。老實說這部分只是鋪墊而已。三：電池的大問題，負極面材大家好，我回來了已經(jīng)上了一個層次。現(xiàn)在復習上一節(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，因為沒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？多喝點鮮橙，讓我們看看最常見的鈷酸鋰（Tesla Roadster）電化學反應(yīng)。其實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。因為只有部分鋰原子會發(fā)生反應(yīng)。如果我們認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：為什么電池的化學反應(yīng)要這么復雜，直接降低了電池的能量密度。這個問題將再復雜一點，估計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，是不是很熟悉這張圖？其實鋰電池圖，只不過這次因為陰極陽極表面結(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？因為要保證充/放電時氧化還原反應(yīng)只發(fā)生在正負極表面，這樣才有電流。我們看石墨（C6）在哪里負極。負極的任務(wù)很簡單，保證放電的鋰原子（不是離子）丟失在電子的負極表面，給它們充電，然后又把它抓回來。由于充電時負極電壓低，帶正電的鋰離子自發(fā)地向負極移動，電子又回到鋰原子上。好像沒有石墨的東西?。咳绻且淮涡噪姵?，則不需要石墨。但是如果是對電池進行充放電，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體，鋰是金屬，所以鋰是良好的電子導體。所以先把負極的鋰原子變成負極的一部分，再回到負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是很弱的.我們只能保證鋰離子會移動到負極表面，但不能保證鋰離子會均勻分布在負極表面。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負極表面。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極表面，負極表面需要固化結(jié)構(gòu)來約束（有序，降低熵）鋰原子的分布。這種設(shè)計在很大程度上稀釋了電池的能量密度。正極其實也有同樣的問題。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，就無法回復了。怎么辦？就這一點而言，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?，F(xiàn)在回到我的論點：1）電池技術(shù)太弱：這些設(shè)計多么巧妙，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)展的物理化學理論，他們的大發(fā)展，二戰(zhàn)的大突破已經(jīng)結(jié)束?？深A見的未來電池技術(shù)，必須立足于當前電池的發(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，是因為科學家一直在尋找原子量更小的元素充當氧化劑、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。現(xiàn)實情況是，鋰空氣電池（氧化鋰）和鋰硫電池有很多人研究，但進展并不樂觀。為什么？因為電池表面結(jié)構(gòu)是個大問題。納米技術(shù)現(xiàn)在進步很大嗎？科學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)計出精細有序的表面結(jié)構(gòu)。那些實驗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極材料的選擇，其實如果只考慮能量密度，則金屬錫更適合作為負極材料。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Li（NiCoMn）O2磷酸鐵鋰（LiFePO4 ) 但是，由于壓實密度的原因，使用這些材料的電池的容量不如鈷鋰電池。人為什么要努力學習？這
資料來源：Meeyou Carbide