未來的電池到底要怎樣大幅提高儲能密度，化學電池在原理上有沒有可能？

01-15

化學電池在基本化學原理上還有沒有可能實現儲能密度大幅度提升？燃料電池嗎？
未來可以隨心所欲使用而不必怎麼在意電量的電池只能指望核電池？

這個是非常好的一個問題。

這個問題可以說成一本書了，我先從鋰離子電池說開：

鋰離子電池的質量比能量（Wh/kg）是衡量能量密度的一個標準，其限制條件為：正負極材料和電池工作的電化學原理。現在的電化學工作原理（電化學反應）大致有八種：

最常見的是第一種和第二種，即脫嵌機理和相變機理，典型的代表便是我們非常熟悉的層狀鈷酸鋰（索尼）和橄欖石磷酸鐵鋰（比亞迪）。像鍵合機制和界面充荷機制屬於不常見的那種。

根據不同的電化學工作原理（電化學反應），現在做一個非常簡單的理論計算：

一個化學反應：

標準吉布斯自由能為：

質量比能量為：

體積比能量為：

所以，只要我們知道一個反應的標準吉布斯自由能和反應物的摩爾質量乃至摩爾體積，就可以估算出這個反應所代表的電池的能量密度：

來看鋰離子電池：

Li/F2電對的理論質量比能量比現在商用的鈷酸鋰的能量密度要高出12倍左右。事實上根據不同的反應機理和電極材料的結構，確實能計算出超高的數據，但是問題出在實際的情況中（一會討論）。來看看近來比較火熱的Na、Al等可以替代鋰離子電池的體系的理論值吧：

一般性而言，鋰離子與S、RuF5、MnO2、C還有O2的電對反應的比能量要高於同樣級別的Na、Mg、Al和Zn。

那麼前面剛剛說到的實際問題就是轉化效率（副反應、電解液不匹配、結構失效等）：

最高的轉化效率也不過是目前商用的鈷酸鋰（脫嵌機理），氫燃料電池雖然理論比能量較高，但是由於轉化效率的低下，適用催化劑的尋找也是一大難題。

然後再來一張這個吧：

至於微型核電池：

微型核電池（penny-sized nuclear battery），是指體積小，只有一分錢硬幣的厚度，電力強，使用安全的「核電池」。可用於手機充電，可以讓你的手機不充電使用5000年。它的原理通過利用微型和納米級系統開發出了一種超微型電源設備，這種設備通過放射性物質的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續電流。

這是放射源的能量：

這是Beta型的工作原理：

所開發的第一種類型的微型核電池是基於Beta輻生伏打效應, 即由於電子空穴對（EHPs）產生的正電荷流動, 從而形成電勢差。

量子電池（自己理解吧，我跟不上了）

英國、義大利等四國的物理學家在英國物理學會（IOP）《新物理學》雜誌上證明了量子電池的可行性，多量子比特相互糾纏而產生的「量子加速」可以加速充電過程，所以用量子電池充電比傳統電池更快。

據介紹，量子電池內的量子比特可以為離子、中性原子、光子等多種形態，充電錶示將量子比特由低能態變成高能態，而放電則相反。

量子比特是決定量子充電時間長短的重要因素。研究人員發現，在充電過程中，與沒有糾纏的量子相比，糾纏量子在低能態和高能態之間通過的距離更短，而且量子比特越多，糾纏越強，充電過程也就越快，充電使用時間與量子比特數量成反比。

在量子信息中，一個量子比特可以用布洛赫球面來表示，科學家可以從中獲得量子電池的最大平

均功率。當量子電池進行充電時，其決定了充電時間的長短，該原理也可以用於描述量子電池的工作原理。與傳統電池所不同的是，量子電池的充電速度由量子位決定，量子位越多，充電速度越快。從宏觀上看，一個量子位的充電時間為1 h，那麼 6個聯合工作時就只要10 min，這一技術如果用於手機充電，則可大大縮短充電時間。

不過，目前量子電池仍然處於潛在的應用階段，研究人員還需要對其進行更深入的熱力學過程研究，量子效應還需要進一步的測試。目前最大的問題是，量子電池的工作並非無序的能量釋放，如

何保證其正常工作仍然是一個難題。

樓主應該先了解下法拉第常數

目前 nanowire 發展據說不錯，能把能量體積密度提高個幾倍吧

提升儲能密度與電化學沒什麼關係，但是我們可以把轉換裝置做得足夠小。。關鍵問題在於怎麼提高轉換效率。這和電極材料改性與電解質等多方面的因素都有關係。

事實上現在就可以設計出一個核反應驅動的化學電源，只是太大效率也太低。相比之下，我理解的現在的電池發展方向，最重要的是三個方面，一個是提高充放電的效率和速率開發出「秒充」電池，這需要電極和電解質的承載能力大幅提高;再一個就是拓寬活性物質的可用範圍，比如心臟起搏器可以直接用葡萄糖就會很好;第三個就是做微型化多樣化電池。

基本上別指望能達到化石燃料油的級別了。電池的研究重點應該是充電速度和壽命。這兩個更重要。核電池是沒有辦法作為主流電源的。

目前來說鋰電池的能量密度已經基本是電化學二次電池的極限，未來提高很有限，即使能提高，也是工程上的改進，比如採用鋰金屬負極，而不是本質的改變了。

燃料電池這個東西只適合比較長時間放電，比如汽車可以。但是在30分鐘以下級別的儲能中，能量密度是不如電池的。

至於核電池，理論上可以維持很長時間，但如果手機用核電池，除了價格不能接受，手機的尺寸估計至少得有你的腦袋那麼大。

說儲能的話恐怕不能算上燃料電池，燃料電池形式上跟把燃料丟進火力發電機差不多，需要持續供應活性物質，不然不能輸出電能

隨心所欲不用在意電量…就算目前各種形式的電池都達到理論比能量，估計離「隨心所欲」的標準還差得遠

儲能電池和蓄電池提高性能的方向包括減少極化，提高充電速度，放電效率和循環壽命等等。目前高比能量鋰電池和鋰離子電池除非應用高電壓正極，不然比能量很難上去，然而高電壓正極對目前的電解液體系殺傷太大…

如果在化學方法上不能過得突破，可能就得從物理上了……

能量密度增加從原子下手也就是用原子能咯，具體核聚變核裂變只是目前所知道的手段吧，但是把能量儲存在原子結構並利用原子結構改變來釋放能量肯定會是下一步需要努力的目標。

能量密度可能比鋰元素高的從周期表上看就H了，很多研究所和企業一直在研究，但是化學行業與電子等其他行業的區別，就是發展非常緩慢，一年提高一點就這樣，相對於尋求更高的能量密度，尋求快充性能更具有意義

未來的電池到底要怎樣大幅提高儲能密度， 化學電池在原理上有沒有可能？

未來的電池到底要怎樣大幅提高儲能密度，化學電池在原理上有沒有可能？