电池的容量究竟是被什么给限制了？
来源：宝鄂实业
2019-07-08 19:48
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我们生活中所见到的绝大部分燃料与电池，这类能量载体，涉及到化学主要是氧化还原反应。能量载体们涉及到的具体化学过程千变万化，但总能归纳到一个氧化还原反应。
氧化还原反应的实质是电子从还原剂到氧化剂的转移。大家有没觉得跟电池很像？？电池的负极为还原剂，正极为氧化剂（不是特别准确）。电子从负极经过外部电路流至正极，然后顺便做点功：点亮灯泡，驱动车辆，支撑手机与电脑。
既然电子是能量的来源，那么我们就可以通过电子的密度来估计能量密度了。这里我们先假设电子能做的功都是一致的（这个显然不对，实际上取决于氧化剂与还原剂的种类。但如果仔细考察，对于常见的电池与燃料，这点不是主要因素）。
能量载体的电子密度，在按体积计算情况下，主要取决于两个因素；按照重量计算，就一个。
1. 按体积计算：能量载体的物质密度。固体>液体>>>>>气体。这点很好理解。
2. 能量载体的电子转移比例。如果化学忘光了，这点很不好理解；如果还有些印象，这点也很好理解。原子的内层电子基本不参与化学反应，自然也不会转移，只有外 层那几个才会转移做功。电子转移比例是指参与反应的电子数与分子总电子数的比例。通常而言，还原剂的外层电子数不会太多，但内层电子数可是随着原子数增大 而增大的。更要紧的是，原子数增加后质子与中子都在增加，而这两者都是质量的主要来源。
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%)。
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
根据上面的解释，我们可以知道，电池很难在能量密度上超过燃料，不过似乎也能达到燃料的一半到1/4的水平。然而现实中电池的能量密度往往只有燃料的1%不到。不信请看数据。
能量密度比较：
这里先只说放电：电池内部，金属锂在负极失去电子被氧化，成为锂离子，通过电解质向正极转移；正极材料得到电子被还 原，被正极过来的锂离子中和。电解质的理想作用，是运送且仅运送锂离子。电池外部，电子从负极通过外界电路转移到正极，中间进行做功。理想情况下，电解质 应该是好的锂离子的载体，但绝不能是好的电子载体。因此在没有外界电路时，电子无法在电池内部从负极转移到正极；只有存在外界电路时，电子转移才能进行。
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。
三：电池的大问题之二，负极表面材料
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%。
发生电子转移的其实只是一部分锂与钴,其它的元素均不参与电子转移。
然后我们做个小计算：单质锂的原子量为6.9，能贡献1个电子参与电子转移。氧化剂来自空气，不需要考虑。
钴酸锂电池的电池反应的反应物总分子量为98+72=170，但只能贡献半个电子参与电子转移。因为只有部分锂原子会发生反应。
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
为什么正极负极的表面结构都需要有序？因为要保证在充电/放电时，氧化还原反应只在正极和负极的表面发生，这样才能有电流。
我们先看石墨（C6）所在的负极。
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。
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。
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）。
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
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。
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。
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。
