究竟是什么限制了电池容量？ _电池容量

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自上世纪 60 年代以来，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。换个说法是18个月便会将芯片的性能提高一倍，这就是我们所熟知的摩尔定律。得益于此，消费电子产品在过去 60 年里快速小型化并普及开来。然而，与半导体和电子领域的指数级进展形成鲜明对比的是电池化学/材料领域的缓慢进步。
如果我们以 1859 年普朗特发明首个实用型可充电电池铅酸蓄电池为起点，假设其能量密度的演化（~1 Wh/kg 或 3600 J/kg）受摩尔定律的控制，那么到 1928 年，储存在 1 公斤电池中的能量将等于第一颗原子弹的爆炸能量（~10^11 Wh 或 ~10^14 J ）；到 1950 年，可以从电池质量转换的能量将等于根据爱因斯坦的质量能量方程 E=mc^2 计算得出的能量（~ 10^13 Wh 或 ~ 10^16 J）。并且照这个趋势继续下去，那么在一个世纪内，这一数字将变成真正的天文数字。但是现实是，电池的能量密度相较其最早发明时并没有指数级的跃升，自1970年以来，平均增长率仅约 5% 。

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以 1970 年以来的实际电池能量密度增长为例，早期发明的镍镉、镍氢电池变化不大， 90 年代后量产的锂离子电池虽然拥有比前代的镍镉、镍氢电池更大的能量密度，但在之后 30 年的发展中，也难以突破 400 Wh/kg 的上限。即使是能量密度更高的锂金属电池，也只是达到 500 Wh/kg 的级别。

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【究竟是什么限制了电池容量？】如果我们将锂离子电池的能量密度与其他物质相比较，可以看到，在下面的坐标系中，锂离子电池位于最左下角。而汽油、柴油、煤油、天然气等燃料所使用的碳氢化合物显然具备更高的能量密度。这意味着，我们目前所依赖的电池在化学物质本身的能量密度上就具有天然的劣势。

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那么能不能换一种能量密度更高的新类型的电池呢？很遗憾，以锂元素为代表的电池，已经是伏打发明第一个电池以来，我们目前所能量产的最具潜力的电池。在所有金属中，锂的原子序数最低，因此原子量最小，密度最低。同时锂属于碱金属，也是最活泼的金属之一。1913 年，吉尔伯特·路易斯和弗雷德里克·凯斯经过实验得到了锂的精确电位，并宣称锂是具有最高电极电位的电极材料。小原子量、极低的还原电位和单价电荷的偶然组合，使得锂具有其他元素或化合物几乎不可能匹敌的独特性质。凭借这种优势，锂在过去五十年中基本上主导了寻求更高能量密度电池的努力。

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而在实际应用中，锂离子电池以及类似的化学储能型电池背后的基本化学原理，又进一步限制了电池的能量密度。可以看到以锂与氧气反应和实验中的锂空气电池为例，其质量能量密度为 43 MJ/kg ，但在实际量产中的锂电池和锂离子电池的质量能量密度便极速下降。

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这是为什么呢？我们都知道电池的本质是其背后的氧化还原反应，在此期间电子会在外部电路定向移动形成电流。而我们对于电池的需求，除了能够提供电能以外，还需要它能够重复充放电，并且足够安全。而要做到这一点，就要求电池内部的氧化还原反应是可控有序的，这一点就将电池与燃料物质的化学反应区分开来。燃料燃烧时也会发生氧化还原反应产生能量，但其中的电子转移是无序不可控的。为了有序的电子转移，电池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。

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在锂离子电池之前， 1980 年代首先量产的其实是锂金属电池。典型代表是 Moli Energy 公司销售的 AA 电池。但是由于锂过于活泼，极易发生我们所不希望的副反应，形成锂枝晶，造成锂金属电池短路自燃。这使得使用锂金属电池的手机发生多起起火事件， Moli Energy 也因此破产，标志着研发锂金属电池的主流努力的结束。