谈谈电池：究竟是什么限制了电池的容量？

对于析晶这一现象，我们可以这么理解。

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）。

所以一定要有个约束条件。要挖个坑让锂离子往里面跳。

这个坑的具体表现即为负极表面的石墨材料。如上图所示，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

上一部分归纳总结一下，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。

但还不止。

我相信，能看到这里的人，一定有非凡的耐心，你们一定能明白这张图的含义。

这是电池正极材料充放电时结构变化的示意图。这里的M代表金属原子，X代表氧原子。这张图的各种原子的大小比例不要当真。锂离子要比另外两个都小很多。

我们可以看到，MX2们在正极基底上形成了几层很规整（很有序）的结构，放电时，电子在正极（正极）聚集，锂离子向正极移动，穿插进入MX2结构的空隙，从而有序的分布在正极表面。MX2中的金属离子得到电子被还原，从而起到氧化剂的作用。

然而这张图实际上包含了另一个大问题。

大家有没有觉得两边的结构图看上去特别的豆腐渣？？就像下面这样？？

如果你玩过层层叠这种类型的游戏，估计会知道，总有那么几块积木，看上去无关紧要，但只要一动。。。。就成下面这样子了。

这个结构一旦坍塌，不可能自己回复的。

怎么办？适可而止，见好就收。套在电池正极这方面来说的话，那就是正极表面必须保持一定量的锂离子来维持结构的完整。这个一定量，一般是50%。

这是为啥前面那个反应式会有一个 未知量 x。 即使是在充满电的状态下，还有近一半的锂离子停留在正极表面。于是能量密度更低了。

题外话：这也是为啥锂电池很怕过度充电，一旦过度充电，阴极的锂离子跑光了，这堆积木就要塌方了。。。

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。

现在回到我开头的论点：

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。为啥？

因为电池的表面结构才是大问题。

现在纳米技术不是进展很大么？以后科学家们肯定能用各种纳米线纳米管纳米球纳米碗石墨烯设计出精细有序的表面结构的。那些实验室们隔三差五的都会放出几个大新闻啊。

这倒也没错，只是很可能会碰上隐藏boss。

啥？？都到这里了你搬出来什么隐藏boss？？搞笑啊！！！老子不看了！！！

不看就不看，反正我也不会告诉你隐藏boss是啥么的。这个超出我专业范畴了。不过有两个问题，如果还有人，不妨想一下。

1）石墨一直是锂电池负极材料的不二选择，事实上如果只考虑能量密度的话，金属锡更适合作为负极材料。但到现在为止也就sony 推出过 锡电极的电池 （Sony nexelion 14430W1) 为什么会这样？

2) 除了钴酸锂之外，目前的其它锂电池正极热点材料 还有三元化合物Li（NiCoMn）O2 磷酸铁锂 （LiFePO4） 然而由于压实密度原因，采用这些材料的电池的容量并不如钴酸锂电池。为什么人们还要大力研究？？

最后，燃料电池实在没空写了。