谈谈电池：究竟是什么限制了电池的容量？

对于这个问题，我们可以这么看：电池的容量=能量密度X电池体积。电池体积自然想怎么做就怎么做了，能量密度是关键。

于是这个问题可以理解为：当前电池的能量密度为何难以提高？

一句话的简单回答是：电池背后的化学限制了电池的能量密度。

上图从wiki中转载的各种能量载体的能量密度。

我们的手机，平板，笔记本，手表，以及赫赫有名的Tesla使用的电池，都是最左下角的锂离子电池。（我怕大家找不到剧透一下）

然后请寻找汽油，柴油，丁烷，丙烷，天然气的位置。

估计找到之后一般人会有以下想法：
1）电池技术太弱了
2）电池技术大有可为
个别化学好一些的人想法会多一些
3）燃料电池技术将是明日之星。

我的想法：以上都是幻觉，幻觉。
 

一：电池与燃料背后的简单化学
先做一点知识性的回顾（或者普及）。
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

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%)。

再进一步说，如果我们把一个原子当成电池的负极。那么这个半电池的能量密度（质量单位）可以用电子转移数与原子量来估算。如此以来，上面的比例将更为悬殊。还以氢作为基准：
碳（4/12 33%) 硼（3/10.8 28%), 铍（2/9,22%) 锂（1/7,14%)

大家很容易发现，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：

汽油：46.4MJ/Kg 锂 43.1MJ/Kg 锂电池（不能充电）1.8MJ/Kg 锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg

其实汽油与锂的能量密度还真没多大。主要原因是碳到氧的电子转移做功其实不够大（共价键 键能差别）但从锂到锂电池。。。。再到锂离子电池，这中间究竟发生了什么？？

原因很明显。锂或者锂离子电池里面不光是金属锂，还有别的水货。

我查到了这么一个估算电池里面锂含量的公式。

m=0.3*Ah.用人话说，把电池容量（安时）乘以30%就能算出电池中的锂含量（克）

对于赫赫有名的18650（手机笔记本特斯拉）电池来说，其重量在42g左右，标称容量在2200mAh左右，于是其锂含量为2200/1000*0.3=0.66g大概是总重量的1.5%。

原来如此啊！如此以来我们只要提升电池中的锂含量就能提高能量密度了！！

真要这么简单就好了。我们先来看看锂电池除了锂还有啥。