电池储能：有序的代价--选自卓克老师《科技参考》

我们粗略估计一下：对于汽车来说，50公斤汽油大约可以提供700公里的续航。而同样尺寸和重量的纯电动汽车，大约500公斤的电池可以提供400公里续航。这么算下来，单位能量物质提供的续航里程，汽油是电池的17.5倍。而且，这里还包含了发动机的效率，如果只对比每公斤汽油燃烧的能量和每公斤电池提供的能量，它们相差40-50倍。

电池中蕴含的能量竟然只有同等重量汽油的1/50。这样大的差距是怎么来的呢？把电池的能量密度提高1-2倍，难道就那么费劲吗？我们手机的性能、电脑的CPU、网速，不都是几年提升几倍吗？为什么电池不行呢？

今天，我就从电池结构上详细说说这是为什么。

电池负极的选材面很窄

首先，我们考虑电池负极的选材，也就是提供电子的那一极。

不论用什么材料做电池，有一条原则永远不变——电池在工作的时候，电子从负极流出来，经过外部线路流到正极。流经外部线路时，就是电池输出能量的时候，比如经过电动机让新能源汽车跑起来。

在体积不变的情况下，要想让电池里蕴含的能量更多，电池负极的那种物质最好分子比较小、比较轻，而且一个分子能释放出的电子还特别多。这才是能量密度高的电池。我们举几个例子，比如：氢气的氢分子其实就很满足刚刚我说的条件。如果它能成为负极，1个氢原子总共只有1个电子，电池工作时，这个电子就从负极流到正极。所以，氢相当于100%的电子都参与了转移。

如果是锂呢？锂原子里有3个电子，内层2个，外层1个。化学反应时几乎只有外层电子产生变化，内层2个用不上。于是，锂做成电池后，3个电子中只有最外层的1个参与工作，也就是只有33%的电子参与其中。你发现没有，这时候参与度就下降了。

而锂其实已经算是非常好的了。我们再来看看锌，就是金属锌。锌是30号元素，自然一共有30个电子，但最外层只有2个电子。于是，30个电子中只有2个参与转移，参与度已经降到了6.7%。

电子转移的参与度低意味着什么呢？意味着还有大量电子没有参与。咱们都知道，一个电子直接对应原子核内的一个质子，而一个质子就是实实在在的一份重量。于是，电动汽车里的电池最好不要用锌，否则电池一定很沉。

你看，用什么物质做高能量密度电池的负极，其实选择面是很窄的。

首先，要求它容易释放出电子。这个要求不高，活跃的物质都可以，尤其是金属，比如钾钙钠镁铝什么的都可以。

其次，这个物质的原子中包含的电子最好尽量大比例的参与到传输电流的过程中。这个条件一下就筛去了一大批，也就只有元素周期表排前10的还可以考虑。否则就会像锌那样，电子转移参与度的上限只有可怜的6.7%。

排名前10的元素，下面我们挨个看看——首先排除氦和氖这两个元素。它们在实际中是惰性气体，跟谁也不反应，别想拿它们做电池。

氧和氟也不行。因为它们不提供电子，而是专门从别人那里拿走电子的，所以不能作为负极。

氮元素也不行。因为大多数情况下它都很稳定，跟谁都不反应。

这么排除之后，最后就只剩下5个候选了——氢、碳、硼、铍、锂。

氢排第一，因为电子参与转移的比例高达100%；碳排第二，比例高达66%。如果用第一名和第二名，也就是氢和碳来做能量来源，当然是最好的。而实际上，汽油、柴油就是典型的碳氢化合物，也就是第一名和第二名的组合。现在你知道，为什么汽油的能量密度那么高，是普通电池的好几十倍了吧？

电池中的锂很难增加

即便我们做不出汽油那么高能量密度的电池，做个差一些的、能量密度是汽油几分之一的总可以吧？像锂元素，电子参与转移的比例是33%，也没比100%和66%低太多嘛。但实际情况是，锂电池的能量密度连汽油的2%都不到。

这是为什么呢？

只要分解一个18650电池就能知道了。这是一种标准型号的锂电池，18650代表它的型号。特斯拉电动汽车里用了七八千节这种电池，每节3400mAH，重46克。但在这46克里，锂元素大约只有1.0克。也就是说，实际参与给出电子的最核心的物质锂只占电池质量的2%，另外98%的质量都是为了让电池正常充放电而必须加入的。所以，本来锂能贡献的电子是汽油的1/3-1/2，可一旦做成电池，就连汽油的2%都不到了。

于是，想要提高电池的容量，最明显的措施就是让电池的质量中锂的占比多一些。但能不能随意增加锂在电池中的占比呢？答案是，不能。

这就涉及到电池内部的情况了。在电池放电的过程中，负极的电子通过导线跑到电池外面做功去了，而负极的锂就变成了失去电子的锂离子，锂离子在电池内部的电解液里往正极漂，然后被正极接住。这就是放电。

这里有一个重点：电解液得是一种非常合适的液体才行，它得能让锂离子漂过来漂过去，但同时又不能让电子在电池内部漂来漂去。因为如果电子在电池里漂起来，就相当于电池内部漏电了，充满的电池过不了多久就会没电，而且还会发热。如果漂得太厉害，就相当于内部短路了，电池会烧毁的。而找到这样合适的液体，是很不容易的。在一个电池里，电解液大约占质量的15%。

而正、负极是不能直接接触的，它们之间还要有一层绝缘层，这要占20%的质量。

即使不说电解液、绝缘层这些结构，只看正负极，电池里的锂就很难增加。

电池充电的时候，锂离子会在充电的电场作用下往反方向漂，漂回负极附近。在这个过程中，锂离子得到电子后又会重新变成锂原子。锂原子是什么呢？就是锂金属。如果我们在充电时，任凭锂离子漂过来变成锂金属的话，就会出现一个问题：第一个锂离子在非常靠近负极的位置变成了金属，是金属就会导电，于是这个锂和负极接触在一起成了负极的一部分；接着，第二个锂离子也在同样的机制下成为负极的一部分……于是，负极的锂就像排队买票一样，按顺序形成一条长长的队伍。这支队伍可以很长，比如几百亿个锂原子组成的长队，在宏观上看就是一根从负极开始生长的细细的尖刺，直戳正极。锂是金属，是导电的，于是正负极就被接通了，电池内部短路、冒烟儿，电池宣告报废。

下面是锂电池正负极的示意图。右边那几个小图就是使用次数多了以后，锂原子排成了大长队，最后刺穿绝缘层，和正极短路后的样子。

所以，虽然锂电池的负极在充电时负责迎接漂过来的锂离子，但也要把它们迎接到正确的位置才行。在负极，需要给漂过来的锂离子建造一栋“酒店”，每漂过来一个就进一个单间，不能屁股顶着脑袋那样排成长队，那样电池就短路了。如果都让它们进到单间里，电池就可以反复充电。

但这带来的牺牲就是，负极并不能满满的全装上锂，而是要把大部分空间留出来造锂离子的“酒店”用。建造“酒店”的材料就是石墨，石墨是层状结构的，每层的间距很适合容纳一个锂。

电池仅有的锂没有完全利用，而且，即使是电池里仅有的那么一点儿锂，也还是没有利用充分，只有一部分参加了充放电。和负极一样，在电池的正极，锂离子也不能头顶屁股那样排成大长队，也要按顺序住进“酒店”。不过，这个“酒店”就不是石墨材料做成的了，而是由锂的金属氧化物搭建的层状结构。我们平时说的钴酸锂、钛酸锂，或者宁德时代出的NCM811、532、622等电池，指的就是这部分材料。你可以把这个层状结构理解成另一栋“酒店”，搭建这个“酒店”本身就需要耗费一些锂。

除了这些氧化物的锂之外，还需要一些可以在正负极间游荡、参与导电的锂离子夹在其中，“酒店”才能稳定，否则“酒店”就房倒屋塌了。

于是，一节18650电池中只有1克的锂元素，而这1克的锂元素还不是都参与充放电。它们一部分是氧化物的形态，也就是充当正极的材料，用来建造正极的“酒店”；还有一部分即便是锂离子的状态，本来可以参与导电，但也不能和其他锂离子在一起，它们在充放电的时候必须留50%左右长期住在“酒店”里，保持“酒店”的稳定。也就是说，就算电池充满了电，也还有一半左右的锂离子在正极的“酒店”中住着，没有漂到负极去。

所以，最关键的发挥能量转移作用的这1克的锂，大约只有0.5-0.7克实际参与了电能的传输。而为了保障锂离子正确的在正负极间运动，不得不配上其他的附加材料和结构，大家加在一起要46克。这就是电池能量密度比汽油燃料低那么多的根本原因。

无序与有序

当今，锂电池发展的瓶颈都集中在正极上。

当前技术中，负极提供的那个“酒店”还有很多余量，还可以住进去更多的锂。如果正极也能提供和负极一样多的锂离子，电池容量马上就可以提升3-5倍。因此，我们今天听到的电池新突破大都来自正极，比如过渡金属氧化物、导电聚合物、含硫化合物。但它们要不就是因为合成困难，要不就是循环次数不够，或者不能支持大电流充放等因素，还停留在实验室阶段。

如果我们再多问一句：为什么汽油能让反应进行得如此高效，让大部分电子都发挥作用呢？其实关键就在于，释放电子过程中的有序和无序。

在电池中，为了实现再次充电，甚至充1000次还可以正常使用，必须小心翼翼的把一切过程安排妥帖，只允许一小部分离子在众多材料的保障下有序的流动。

而汽油的燃烧完全不需要考虑可逆与不可逆，可以肆无忌惮的剧烈反应。在这个燃烧的化学反应中，我们如果追寻电子的去向，那是没有方向上的规律的。这些汽油就这么一次燃烧机会，只要参与进来就彻底变成其他物质，再也不会从二氧化碳和水变回汽油了。

电池的能量密度低，其实是为了维护“有序”而不得不做出的牺牲。

其实不止是电池，一切井然有序的世界中，秩序的维持都是有成本的。如果有人希望借粉碎一切提高效率，其实只能释放一次璀璨的光芒，然后就燃烧殆尽了。