電池技術為什麼如此高深莫測，以至於一直是手機等相關行業的短板？
例如手機電池、電動汽車，在發展上很難擺脫續航時間短的限制。產生這種現象背後的深層次的原因是什麼？或者說有什麼技術難題是業界始終無法跨越的？
9/29/2016 修改了文章中一些不太嚴謹的表述。
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謝謝邀請。這段時間比較忙就不詳細展開了。
1，電池技術本身並不怎麼高深莫測。基本原理還是當年伏打電池，也就是氧化還原反應。翻開高中化學書把電化學章節複習一遍，就基本可以覆蓋80%以上的電池原理。高中化學書上介紹的Zn Cu原電池用的是氫離子，原理和現在鋰離子電池一樣，只是把正負極材料、電解液換換，氫離子再換成鋰離子罷了。
2，但是，原理簡單不等於性能可以很容易地提高。電池系統是一個複雜的多變數系統。拿鋰離子電池來說，找到適合的氧化還原反應，只是萬里長征走完了第一步，只說明能發生如此氧化還原反應的材料有可能作為電池正負極材料，可以讓鋰離子在正負極間來回穿梭，從而實現充放電的目的。但這是否真正可行，卻受制於太多因素。
發生（嚴重的）副反應不行，
效率太差不行，
穩定性不好不行（因為這樣沒幾圈電池裡的鋰都被無謂地消耗了，性能不會好）
循環穩定性不好也不行，有些電池開始100圈充放電還不錯，但是慢慢地效率就越來越差，最後只能達到開始時的一半甚至更低。
安全性不好絕對不行，不用解釋
材料成本太高不行，衍生出工藝太複雜也不行，什麼納米藝術啥的甭看你文章的影響因子有多高，能玩出什麼花來，只要用成本這把刀一砍, 一刀就死。成本低，性能馬馬虎虎，可以說九死一生；成本太高，十死無生（除非用于軍事、心臟起搏器及其他植入式醫療器械等不太考慮成本的領域）。有某鋰空大牛最近開始用金子做正極，這種電池就算做出來了是專門供應土豪的嗎？
充放電速率問題，由於鋰離子在電池中的擴散是一個動力學上的受制過程（也就是慢過程--請複習物理化學相關內容）。所以原理上講不可能一味通過增大電流來提高充放電速率（這是現在很多號稱能快速充放電電池的手段）。加大電流，電池外做功迴路（電子）電流密度增大，但電池內部鋰離子的擴散由於比較慢，根本跟不上這個節奏，所以這樣的電子-離子運動的脫節必然導致性能的犧牲。一分鐘充電的電池當然可以做出來，但是性能可能只有3小時充電容量的1/4甚至更少，電池壽命就更慘不忍睹。這還沒有考慮大電流充放電帶來的巨大安全隱患——起火爆炸。
可能有人會問，為什麼鋰離子擴散速率這麼慢，因為鋰離子在電池內的擴散不像電子在金屬導體中運動那麼簡單飄逸，導帶和價帶重疊，自由電子運動那叫一個酸爽。鋰離子不是金屬導體中的電子，形象一點解釋，鋰離子從負極到正極的運動（即放電過程）是先從負極（固體）費勁吧唧地脫出，進入粘糊糊的有機液體（電解液）或有機高分子或其他固態電解質中作擴散運動，鋰離子游過電解質後上岸再進入固體--正極材料。這種固--液--固（或固--固--固）的反應你可以想像有多慢，這還不算正負極之間的隔膜（多孔的絕緣高分子材料，浸滿電解液，只讓鋰離子過，以避免電池內正負極接觸造成短路）。再者，鋰離子從負極到正極的運動要兩次穿過固液界面，多孔的隔膜、正負極表面也都有巨大的界面，而且這些表面的副反應非常複雜，至使電池性能的下降更加雪上加霜。更不用說材料中的雜質、製造加工時的缺陷，甚至電極片的纏繞、正負極接頭的焊接等工程技術問題都可能導致電池的一系列問題。
因此電池這個系統乍看起來原理簡單，但目前看來進一步提高性能，取得革命性突破非常困難。需要解決科學和工程領域內的一系列問題，涉及到材料學、無機化學、有機化學、物理、表面、界面、熱力學、動力學、工程機械加工、電子電路技術等交織在一起的諸多問題。電池系統根本不能用摩爾定律來衡量，我們現在用的電池和1990年代比起來的差得並不太多，性能提高並不顯著；但集成電路和電腦的發展是一個什麼速度大家有目共睹。你打開iPhone或 iPad一看就明白了，所有的主板電路越來越小，就薄薄的一條，其他空間被電池佔去了一大半。蘋果最新的超薄Macbook air大家都看到了，那薄薄的殼下面就是幾層電池。這種尷尬估計還要持續很多年。由於電池的滯後，倒逼電腦行業的軟體、硬體工程師絞盡腦汁用各種計算機的軟硬體技術來節能調控省電，這不得不說是電池界的一種恥辱。
但是難度是巨大的——無論是移動電子產品、電動汽車乃至大規模儲能，大家對未來電池的要求都差不多--能量密度高，性能穩定，安全可靠，壽命長，充電速度快，而且要便宜，環保。。。某種新材料或能滿足其中若干項，但滿足所有要求確實難度極高。做理論模擬的已經把元素周期表和晶體資料庫翻了不知道多少遍了，把所有能合成出來的和幾乎合成不出來（不穩定）的各種潛在目標列在一起一看，依然有這樣那樣的問題；而且用上述的諸多要求一卡，到最後發現甚至遠不如目前市場上的流行材料。相對於負極材料來說，正極材料更是瓶頸中的瓶頸。有忽悠者經常忽悠一些新概念，比如鋰空氣，鎂電池，鋁電池，這些要麼幾乎純扯淡（鋰空），要麼需要從頭開始開創一個全新體系（如鎂電池），難度異常之大。電池研究是一門綜合學科，需要最起碼對材料學、無機化學，電化學，固體物理，工程技術以及各種表徵分析手段（如XRD，XPS，磁性，中子衍射，紅外熱重核磁，乃至同步輻射相關的X射線分析技術），甚至理論計算都要有所了解或精通若干。需要有從最基本的化學合成到最終電池器件的組裝之動手能力。這些要求一個人幾乎不可能達到，需要大團隊的努力和合作。如此大投入還需要找到一個明智有前途的方向，否則就白搞了。比如IBM團隊花了好幾年時間研究鋰空，最後發現悲劇了，結果項目被砍掉。
另外，現在排名第一的那個回答最後明顯錯誤，基於已知或相似材料結構計算、預測電池能量密度，容量，電壓（電量不是嚴格意義上的術語）根本不是什麼難事。計算也不需要太長時間，而且理論計算值打個折扣後和實驗值也可以吻合。很多系統比如氧化物，磷酸鹽都算了很多，都有library了。對於未知結構，那屬於從頭模擬，人類現在當然沒有這個上帝視角的能力。只能慢慢摸索了。
另外，Vincent Fu的答案中（我）舉出的兩個例子都不靠譜。Envia是最著名的忽悠公司，忽悠了Steven Chu還有奧巴馬，不斷號稱有breakthrough, 細細一看均扯。南洋理工的那位還有石墨烯，也基本是扯。石墨烯現在啥都能用，標準狗皮膏藥，別的不說，起碼用作電池負極比較扯淡。
納米技術問題也很多，比如令人非常頭疼的密度問題。很多納米材料比表面巨大，振實密度低，這樣一來電池的體積能量密度就難以提高。比如用於電動車，電池重量重一點還好，反正車本來就要載重；但是如果電池的體積能量密度低，那麼電池的體積就會變得巨大，怎麼裝在車上？有些忽悠的專家，天天吹噓他們的納米材料做電池多麼多麼牛，其實他們報道的都是「超高」的質量能量密度；體積能量密度要麼選擇性不報道，要麼扭扭捏捏報道了，數據慘不忍睹。我簡單算一下，如果這樣的納米材料做成電池裝在特斯拉上，那麼這些電池會和集裝箱一樣大！而且納米材料還有其他諸多問題，比如製造工藝複雜、成本高、納米顆粒的毒性和致癌性（這個領域以前竟然沒人關注！）、產品均一度差等。
最後說一點，電池技術只是一門儲能技術，是儲存能量的媒介。電池儲能的環保作用不應該過分誇大。如果電能的主要來源還是高污染的化石燃料，那麼電動車也只是把污染從大城市轉移了出去（當然大型電廠的排污控制當然會比汽車強很多）。而且電池本身並不環保低碳，生產電池所用的各種原料如正負極材料、銅箔，鋁箔，有機電解液，高分子，金屬/非金屬外殼等很多都需要高能耗、高污染的重工業來生產（最明顯的例子就是石墨，有誰去過石墨廠嗎？）。如果電能不是來自於低污染的可再生能源，電池的回收再利用沒有充分地做好，那麼電池的環保效益會大大降低。電池科學隸屬於材料科學和電化學範疇，在很多人看來，與信息科學相比不是那麼高大上，事實上，他確實不高大上。材料科學和電化學很大程度上是實驗科學，很多研究高校能做的，企業也能做，甚至，氛圍和訴求不同，做得比高校更好。
舉個例子，我們廠做磷酸鐵鋰的，剛進廠時，電池研發中心主任第一次訓話：我們的材料配方，是3萬多次試驗試出來的！搞了多年自控的我心想，這神馬玩意啊還值得吹噓，難道沒有數學建模么？最優配方不應該是推導的么？
現在，我也和剛進廠的小夥子們說：我們廠的配方，是老主任實驗了3萬多次試出來的！
方向是有的，我們知道要擁有什麼性能，需要增加何種配比，但是怎麼才是最優，只能去試。
再舉個例子，前兩天我省開新能源戰略研討會，會上清華張教授做了個彙報。可能大家會覺得清華的教授做的彙報肯定高大上了吧。非也，他的議題，只是簡簡單單的「如何確定方形電池長寬比以及極耳的長寬比」。如何確定？還是試驗，雖然不同尺寸的熱功是能算的，但確定不同配方電池所需的外包裝尺寸，仍然要靠不斷的試驗，最終以龐大的試驗數據支撐來得出結論。而更可惜的是，這個結論是，依然沒有數學模型，並且幾個參數的影響是相悖的，後續的工作，仍然需要不斷試驗，最終找到一個每種容量的電池，以何種結構，才能獲得溫升和溫升差的平衡，並且，永遠沒有辦法得到最優溫升或溫升差。
這個行業還一個問題，到現在，鋰電池還沒有理論壽命的推導方法。同樣的，沒找到數學模型，只能依靠龐大的試驗數據去尋找趨勢。但是由於需要的時間太多，這種材料剛有點眉目，好嘛新材料又來了。所以到現在我們都弄不清楚怎麼去科學的檢測加速老化。
有個笑話，前兩天和中科院某教授吃飯，我說，合作個項目，研究加速老化和壽命預測吧，對方說，呃，這個。。。那個。。。我們還是研究給我們廠的產品增加循環壽命吧，至少30%，擲地有聲。我心想，壽命預測都沒有，增加壽命隨便你吹吧。
另外，這個行業的桎梏，還有一個悲劇。相比關心這個行業的都聽說復旦搞的水鋰，可是很明顯，業內都不太待見。原因很簡單，第一，前段時間的新聞有些捧殺這個新材料了，吹得過頭讓很多人覺得不接地氣；第二，全新材料的面世，對傳統是一個顛覆。很多高校也好企業也好，都變成無用功了。當然，這個在其他行業也都存在。
綜上所述，似乎又文不對題。但是我想說的是，這個行業的研究完全是依靠很多人力不斷嘗試才能出成果，所需要的時間是巨大的，而見效往往只見於細微。鉛酸電池迄今為止已有120年，而鋰電之父goodenough老先生從發明到現在，也不過10多年，能發展到現在這個水平，已經得益於先進設備、先進儀器的幫助。而且，製造業從實驗室到產線，也是一個漫長的過程，甚至可以說，產線上細微的調整和試驗（那個調整電池尺寸的試驗即是，產線上開模，我都不敢報費用啊），所花精力和成本又遠高於實驗室。以上。謝邀。
電池是化學工業。
新材料的研發難度是知乎這群程序員根本無法想像的。
程序員們都活在完美的無熵世界裡，邱奇和圖靈命定了整個世界的法則。律法是存在的，而且是萬能的，我們只需要跟從律法，就能得到想要的結果——如果它不對，一定是我的問題，找到改正就好。
醒醒吧，真實世界遠遠比你們的小世界可怕，我們面對的是一片漆黑和死寂，我們不知道規則，不知道哪裡是致命的陷阱：做材料研究的是在和上帝搏鬥。
做個不恰當的比喻：研發新材料的難度好比 @李阿玲 徒手寫 TeX：一次寫出一個四萬行的程序，各個部件耦合性極強且無法解耦，寫完前無法預測結果，無法單元測試……啊不對，材料研究比 @李阿玲 更加令人絕望，因為 @李阿玲 好歹可以去 debug，材料的性質不對無法 debug，只能改配方重新合成一份來 trial-and-error，錯了不知道為什麼，最後成功了也不知道為什麼……因此真無怪乎有些人把材料科學比作「往下水道扔錢」。
有人問計算化學——很好，我們組就是做計算化學的，優化一個 30 原子的小分子結構需要兩個小時；預測兩個小分子的反應產物需要整整一天。我不認為地球上有一台超算能在人類可接受的時間內算出某個電池結構的電量。
主要是 cpu 技術在參數上太美麗了，而現實又狠狠的來了一個巴掌。
不能突破的不單單是電池，還有信號（連蘋果6都要弄個性感的白帶），還有材質，塑料玻璃金屬（就沒有納米碳管什麼的黑科技么？），甚至連散熱都是一無所長（水冷？超微型風扇？）。
你看，除了CPU，其他行業都是線性發展的，只有CPU是指數級的。
然而，如果你參考實用價值，發現CPU的指數級參數增長，並沒有帶來指數級實用價值提高。因為其他科技沒有跟上。
集成電路技術是一個首先到達量子力學的階段的科技，其他的很多科技還停留在分子階段，甚至還有停留在牛頓時代的。當他們組合起來，只能是平均水平。
假如電池技術到達了量子級別，或者直接說，核電池量產了，恩，處理器反而要跟不上了，很多答案都提到了這是一個化學問題，確實如此。作為一個以前搞ios移動設備管理mdm的煤化工方向工程師。對兩個行業的差別真的體會很深，一個是有嚴格的邏輯，絕大多數問題可以google搞定，一個是和上帝打交道，絕大多數問題都是像炒菜似得先去碰，做出結果再去琢磨如何解釋。兩個行業可以說看問題的視角都完全不一樣。當然我不是說寫程序沒技術含量，我深知12306的設計，阿里雙11的運行，學術圈對某一個演算法常數的優化需要多少人付出多少的努力，我自然也知道ACRush有多牛逼。我的意思是，化學這種東西是人類無法控制的。
由於碩士的時候在鋰離子電池正極材料做過一些研究，所以我在這裡按照我的理解寫寫具體的問題在哪？這裡只是看到大家都說化學問題，沒有人說化學什麼問題，所以胡亂說幾句，如有寫的不合適的地方，咱再討論。
簡單地說電池要想有電，首先要有電勢差，比方說正極4V，負極0.5V，他們之間就有3.5V電壓了，然後一接外電路，就出來電流了。一塊電池能放出多少能量呢？用高中化學知識也很容易知道
問題中說的續航時間短，說白了就是一塊電池裡面可以釋放出的能量少，或者說沒有像題主想要的那麼多。有了這個概念，我們就來分別討論
所以問題就卡在這了，未來會怎樣，從目前看來，似乎沒有什麼好的辦法了。
科學這東西很多時候都是一個大牛往前推動了一大步，一堆普通學者在旁邊修修補補做些小事情。鋰離子電池的進步空間，我認為，基本上已經被各種學者榨乾凈了，能想到的方法基本也都想的差不多了，想要徹底解決這個問題，還是要等待顛覆性的工作出現。
能跟上節奏的可能只有燃料電池和核電池了。
電池的問題根本就不是複雜簡單這麼回事兒。
電池的問題是在於，根本不知道要怎麼弄，連個方向都沒有。不是技術層面上的問題，而是需要理論層面上的突破。
一個不恰當的比方，對於CPU的性能改進，就是科技樹上某個分支一連串的技能點，花錢一個個點上就好了。
而電池是根本就不知道要點哪個科技樹分支才能提升啊，魂淡，，，，點了半天可能屁都沒有啊。
原理擺在那兒, 再怎麼改進也要受到材料本身的制約.
無論是燃料的燃燒, 還是電池的電極反應, 本質上都是得失電子的過程.
簡單計算一下:
燃油類: 可以簡單表示成(CH2)n, 每摩爾的CH2可以提供6個電子, 自身重量是14克, 也就是說平均每克燃油能提供0.43摩爾的電子.
煤炭類: 每摩爾C能提供4個電子, 自重12克, 也就是說每克煤炭能提供0.33摩爾的電子.
電池類: 電池的能量來自負極活性物質提供的電子, 負極材料就相當於燃料. 比如乾電池的負極物質是鋅, 蓄電池是鉛, 鋰電池是鋰. 對於鋅, 每摩爾鋅能提供2個電子, 自重65克, 每克鋅只能提供0.031摩爾電子. 鉛也是2個電子, 自重206克, 每克鉛提供0.0097摩爾電子.
鋰的優勢就是輕, 每摩爾1個電子, 自重7克, 每克鋰提供0.14摩爾電子
現在的問題就是, 如何既能多塞材料進去, 又能保證反應可逆, 還得安全可靠?
電池技術沒有什麼高深莫測，電池材料學也更多的不是設計，而是拿來用而已。
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瓶頸上來講，鋰電池由於密度低，已是目前基於氧化還原反應的二次電池裡面比能量最高的，沒有更好的類型出現，而鋰電池正極材料和負極材料從容量和循環性能兼顧額角度來講目前也難以找的更好的材料類型。
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手機電池使用化學電源中比能量極高的鋰離子電池。負極往往是石墨材料，正極為晶體結構為層狀，可以儲鋰的材料。幾十年來最好的都是鈷酸鋰，,沒有變化，非單是其容量高，更在於其循環性好，標準充放電循環500次容量損失在20%以下，鈷酸鋰較貴，因而可以使用三元的鎳鈷錳來替代鈷，而磷酸鐵鋰則穩定性和安全性更好，比容量差一些。
正極材料研究有很多，氧化鐵，二氧化釩，五氧化二釩都聲稱自己理論容量很高，但也就能把初次充放電容量做高，循環起來衰減很快，因為結構很快破壞掉了。倒是負極的石墨材料，可以使用硅碳複合材料解決高比容量的硅的穩定性問題，好像已經商業化了，還有鈦酸鋰負極材料性能也不錯。
在材料已經確定的情況下，材料學家剩下的就是做些微改進，沒進過企業家其實說了也不靠譜，但從文獻來看，就是材料的納米化，複合一下石墨烯，碳納米管，會有部分提升，但肯定不會有本質提升。
實際上有瓶頸的何止電池？屏幕和外殼有摔不破的么？續航不給力也可以怪cpu和顯示器的能耗無法明顯降低。電池技術本身的發展確確實實遭遇了瓶頸，可以說，從今天往前數十幾年，電池技術都沒有大的突破。
如果要問核心理論和原理，那甚至可能往前數30年也沒有大的突破，鋰電池還是那個鋰電池，但是智能機卻早已經不是那台智能機了。而且現在不光是手機廠家，這個問題還影響了一系列新產業，比如新硬體，新能源汽車等等。
說白了，所有人其實就關心一點，如何讓電池更耐用。
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鋰電池是化學電池，它的三要素是：正極、負極和電解質。其原理很簡單，就像是一個啤酒瓶子，瓶嘴是正極，瓶底是負極，中間的液體是流動的電解質。
現在通用的鋰電池方案，正極材料是鈷酸鋰，負極材料是石墨。充電的時候，瓶嘴的正極受到外電流的刺激，釋放出鋰離子，鋰離子經過「液態」的電解質游到瓶底，形成電流，而負極的石墨上邊剛好有許多「小洞」，鋰離子鑽進去，電也就充進去了，這就是充電的過程。而當手機運行的時候，鋰離子再游回正極，回到鈷酸鋰的懷抱，這就是放電過程。
所以現在的任務是，在這個「瓶子」大小不變的前提下，讓中間搖擺流動的鋰離子儘可能地多，以達到擴容的目的。因此，正極和負極的材料就成了關鍵。
經過反覆的實驗，人們發現，在現有的材料中，正極的鈷酸鋰和負極的石墨是一對最佳拍檔，所以如今人們以它們為原料去製作鋰電池。換句話說，今天所謂的瓶頸就是，如果我們不能找到比這二位更高效的選手，可能就永遠無法解決電池容量的問題。
所以你會發現：
優化一個演算法，換個邏輯，靠的是大腦；提升組件性能，改進工藝，靠的是手；電池要突破，去發現新材料，靠的是什麼？運氣啊！
為什麼？
因為電池對材料的要求極其苛刻：
第一，它的能量密度要高，能用最小的體積儲存最多的電量；
第二，它的安全性要好，面對科學家各種變態試驗還保持淡定。不可以一言不合就要你半條命；
第三，它的循環壽命要長，不能充個幾次電就報廢了；
第四，它不能有記憶效應，今天你還要求消費者每次充電都充滿，這個產品肯定賣不出去；
第五，它要環境友好，不能污染環境；
第六，必須成本低，否則無法大規模應用。
明白了電池技術為何難以突破後，再來看看如今電池的發展。
如今鋰電池的能量密度已經頂到了天花板。它理論上的能量密度最高能達到600瓦時升，現在最先進的技術已經可以做到550瓦時升（具體數據不一，但是目前的潛能確實被開發的差不多了），但還是不夠人們使用。最直接的原因是手機本身的系統功耗增加了：屏幕每加一排像素，處理器每加一個核，APP每加一個功能，電池心裡都在滴血，這都是功耗啊。
這種情況下，電池如果還想要大電量，唯一的辦法就只能去加大電池的體積了。手機為什麼越做越大？一方面是市場對大屏手機的追逐，另一外面未嘗不是電池的掣肘和需求。
這幾年，電子產品的銷量在翻番，電池單個體積又要做大，對鋰電池的市場需求不斷擴大。但鋰的生產速度遠遠趕不上它的消費速度，價格在不到兩年間，卻翻了三倍多，從每噸5萬直飆到17萬。所以長期來看不排除電子產品有漲價的可能。
當然，這裡並不是說電池技術也就這樣了。突破雖然很難，但進步一直還是有的。
鋰電池，在1970年左右被發明出來，但直到90年代，索尼才生產出第一塊可以商用的鋰電池，到了21世紀初，鋰電池才被大規模應用於手機、筆記本等手持設備，這中間跨越了長達三四十年的時間。只是在其他技術的反差之下，這種進步很容易讓人失去耐心。
【兩種比較靠譜的輔助技術：超級電容無線充電】
在技術沒有突破之前，我們可以藉助一些輔助手段去改善電池的使用。一般有兩個思路：
一、提高充電速度，讓充電變得更快，比如超級電容；
二、改變充電方式，讓充電更方便，比如無線充電。
超級電容如今在技術上算比較成熟，它是一種電源，性能介於傳統電容器和電池之間，可以反覆充放電幾十萬次。目前，其部分已經進入應用階段，像上海、寧波等城市早已有超級電容公交車上路了。
超級電容最大的優點是充電速度特別快，等一個紅燈的時間就可以給一輛公交車充滿電，聽上去十分令人吃驚。那為什麼不用它給手機和小汽車做電池呢？
因為它的缺點也十分明顯。雖然充電快，但是其放電也快。公交車的路線比較固定，可以到站再充，充了電，能堅持到下一站就行了，但是小汽車卻不行，路線隨機，情況多變，充電是個問題。而且最致命的是電池的體積，超級電容的體積要比鋰電池大得多，無法直接應用到手機上。
和超級電容類似的還有氫燃料電池，它充電更快，可以直接把燃料灌進去，但是它也一樣不能應用於手機，其原因有二，一是體積，二是反應過程會有水產生。
從技術上來說，改善充電便捷性，來解決消費電子的續航問題其實更靠譜一些。
比如無線充電。
如今的無線充電主要運用電磁感應原理，它不需要一個很大的場，只需要一個小盤子，就是無線充電器。
手機和充電器上各有一個線圈，讓充電器通電帶電，再使用兩個線圈的相互作用來傳輸電流。
但用戶其實對它不太感冒，因為它並不方便，如果要使用，必須要先把一個這樣的充電器插在插座上，再把手機扔到上面，手機才可以開始充電，而且還要放對位置，兩個線圈不能離得太遠，否則會導致充電失敗。
這個技術聽起來好像沒什麼卵用，但是如果可以把充電區域稍稍擴大一點呢？比如做到桌子那麼大？到時候餐館咖啡廳等等的標配可能就不只有wifi和空調了，還有無線充電餐桌，把手機往桌子上一扔，一會兒手機就充滿電了，這麼一想還蠻令人嚮往的。
如果想了解更多信息，歡迎關注王自如的科技相對論欄目。
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鋰電池的罪與罰-ZEALER
其他回答：
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你的 iPhone 電池為什麼不耐用？ - ZEALER的文章 - 知乎專欄
耗電元器件的能力按照摩爾定律在增長，電池工業作為一個有顯見的理論上限的化學體系跟著摩爾定律走了這麼久已經很不錯了好么……
我的理解可能是一個比較偏的角度。
科學的發展起源是歸納法和因果律。想當初，科學萌芽之初，僅靠歸納法和因果律，發展是非常緩慢的。而到了後來，基礎越來越紮實，運用歸納推理出的理論，科學才突飛猛進，尤其是物理學領域。可以得出結論，突飛猛進的基礎是推理出的理論的精確，理論越精準，使用越便捷，發展越快，如果化學能像物理一樣在電腦上可以直接計算和預測出來準確的實驗結果，而不用動手去一個一個的做實驗，去觀測，去猜想，豈不美哉。而目前化學領域還停留在觀測，猜想，驗證，修正，這種低級的歸納經驗階段，理論化學才剛剛起步。隨著理論化學的發展，相信化學會像物理一樣一路高歌。
因為電池這事不歸強大的程序猿管，屌炸天的產品經理也幫不上忙。
謝邀。
電池問題困擾的不僅僅是手機，還有電動汽車……這也是你邀請到我的原因——我對電池其實一竅不通的，只是在電動汽車相關問題下混了個眼熟而已。
但是我認為手機和汽車面臨的困境不太一樣。汽車用的動力電池，在安全性、充放電上都有極高要求，難以做到兼顧。特斯拉就能跑400多公里，也沒用什麼天頂星技術，但是各大車企卻不肯去山寨，就是認為特斯拉不安全。在技術上也是如此，比如隔膜，太厚影響電子穿透太薄又怕短路…
而手機呢，就是因為薄啊薄……電池做到1cm厚再試試~任何科技的進步都是以新材料的研發為基礎的！
為什麼飛機發動機這麼難進步？因為在鈦合金以前沒有什麼材料能在如此高溫氣體的衝擊下不會軟的像麵條一樣；
為什麼核聚變反應這麼難控制？因為核聚變發生時產生如太陽般的高溫可以使地球上任何一種材料融化；
為什麼手機電池這麼難突破？因為元素周期表裡就那點東西，可以想到的材料基本已被研發殆盡。
目前手機廣泛使用的鋰離子電池，存在著兩個最大的問題：充電時間長和續航能力低，要在電池上實現突破，唯一的途徑，就是新材料，也就是在電池的正、負極和電解液上下功夫。然而事實卻是，自打鋰離子電池發明以來，它基本就沒有大的變化。專註高能電池的Envia Systems公司，自1995年經歷十多年的發展，直到2007年才使電池儲能翻了一倍，此後，電池儲能增幅再也沒有超過30%。無怪連現代電池領域的科學家、磷酸鋰鐵之父John Goodenough都感慨電池研發已進入瓶頸，甚至有一些這個領域裡的科學家斷言鋰離子電池的研發已接近終點，將不會再有顯著的技術突破。
雖然目前很多孜孜不倦的研究者們把視線轉移到納米領域，比如南洋理工大學的Chen Xiaodong採用二氧化鈦納米管做陽極而提出的新型鋰電池可以實現2分鐘充電70%，而近幾年大火的石墨烯也為電池的進步提供了更多可能。但任何一項技術，從實驗室走到商業化，都要經歷漫長的周期，而且在全球手機市場被幾大廠商瓜分並且其各自都有非常完備的手機生產流水線的前提下，幾大巨頭大眼瞪小眼，無論是誰，貿然採用革命性技術所要投入相當的成本並承擔極大的風險，可謂牽一髮而動全身，而一旦失敗，可能永久性地失去積累多年的領先地位。這些因素都將很大程度上影響手機電池的升級換代。
總得來說由於鋰電池本身原理和材料方面的根本性限制，手機電池的研發可謂舉步維艱，但在全世界各領域科學家的通力合作下，手機電池的春天還是會在未來實現，雖然遙遠，但一定會到來！不懂為什麼這個和程序員完全無關的問題下，大家一直在黑程序？
不要忘了，手機電池容量低的原因不僅是電池的容量密度上不去，還有手機廠商自己要把手機越做越薄的原因，如果iPhone 6 Plus加厚兩毫米，然後全做電池空間用，使用時間滿12小時我認為是沒問題的。
而不加厚手機，要到12小時，那得能量密度翻番。但是任何事物要做到某項數值翻番都不容易吧？一口吃不成胖子的。
比起想著如何讓電池容量密度翻番，更不如去考慮如何把其他元器件做小，手機做薄到一定程度就夠了（不可能做得過薄的，參考蘋果手機彎曲門），為電池騰出儘可能多的空間，就能保證足夠的使用時間。
大家要跳出化學思維的框框，發現核物理的新大陸：
1）據BBC網站2009年報道，科研人員成功研製出硬幣大小的「核電池」(nuclear battery)，通過同位素的衰變產生電能。
過去在電池的研發過程中面臨的重大難關之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產品本身還大。由美國密蘇里大學計算機工程系教授權載完率領的研究組成功為「核電池」瘦身，研發出的「核電池」體積小但電力強。
權載完教授組研發出的核電池只是略大於1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，但電力是普通化學電池的100萬倍。核電池的另一誘人之處是，提供電能的同位素工作時間非常長，甚至可能達到5000年。
2）2012年，美國佛羅里達州City Labs實驗室發布了世界上首個氚電池。氚是氫的同位素之一，具有放射性，包含有兩個中子和一個質子，它的原子可以衰變成為質量數為3的氦，衰變的過程中會釋放大量能夠為設備提供能源的電子。
該電池的最大的優點是壽命長達20年之久，遠遠超過了當今電池的平均壽命。
目前看，制約這一電池技術大面積應用的，不是技術問題，是成本問題。
參考引用資料：
壽命長達20年 世界首個氚電池發布
好奇號核電池揭秘：可供能14年(圖)_科學探索
美科學家研製出小型核電池 可持續供電5000年
http://zh.wikipedia.org/wiki/核電池
@Belleve 的答案不錯。我知道一個反面例子——彩色膠捲。
先說數碼相機怎麼照彩色照片呢？就是用分光鏡先把入射光按照波長分成三份，然後照出來三張黑白照片，再按照 RGB 在 LCD 上「染色」。就是這麼暴力。
那彩色膠捲呢？優雅多了。分光，感光，染色一次完成。看上帝設計的「納米計算機」，碰巧被化學工程師發現了。可惜，只有這一種 special-purpose 的。現在人們又退回到暴力解決的階段了。我對這個問題很有興趣。回答問題的人都基本上都是同行，或者有興趣愛好的。這個問題本身沒有什麼價值，倒是大家的討論非常有意思。所以我更願意討論一些思辨的方法。另，我是博士論文拖延症，回答這種問題總是讓我興緻勃勃。
電池技術為什麼如此高深莫測？
很簡單啊，這隻能是因為你不懂，我不太懂，大家都有些不太懂的地方。有這樣的問題，的確是我們想要有更好的電池。在解決問題方面，提高電池技術只是應該是一拍大腿，腦門一熱想出的idea. 解決相關問題有很多種方案，比如改變生活規律，提高能源的使用效率，節能環保的生活方式。
電池技術的原理是法拉第反應，而且只是發生了離子進入情況下，是三種情況之一。現在的電極是由無數個小顆粒組成的，請看下圖示例就能略知我為什麼要說，你不懂，我不太懂，整個人類都有些不太懂的地方。電勢能，濃度的變化實在是很難理解，難度之一是缺乏對液體的有效觀測方法，還有就是對無數顆粒堆積起來形成的三維結構缺乏有效認知，下圖的三個尺度上的問題缺乏有效的統一。請大家注意：這還沒涉及到，材料的，化學的本質問題。都可以歸納為電化學問題，這方面學科的分界已經不太存在了。
我已經在這樣的問題上消磨了5年的青春，這5年都是生活在貧困線以下，就不要奢望對電池技術有什麼貢獻了。做人要為社會謀利，也更要為自己
來源：
電池的發展依賴於電化學的研究進展。但化學作為一門實驗學科，很多理論都非常不完善。有如下幾個問題
一是學的理論往往不管用，必須要經過大量的實驗來確定。導（lao)師(ban)經常拍拍腦袋想出一個「看似可行」的方案，但可憐的研究生們經過一番折騰後往往發現導師的idea就是個坑啊。
二是實驗的重現性差。實驗的細節非常多，paper不可能完全描述出來（往往還有很多人刻意隱瞞實驗細節），數據非常不可信（成功一次失敗九次都敢往上寫）。因此通常情況下文獻里的實驗都很難重複出來。
三是實驗周期太長。做出來一種電池後測得那些數據那叫一個慢啊（電池循環曲線神馬的一跑就是半個月）。半個月後發現不行又得重頭再來。折騰幾下時間就沒了。
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