手機用十天不充電？電池：臣妾真的做不到

何性峰（可道 | 運營部藝術指導）

《可持續商業評論》& 《文以載道》聯合發布

引言：電池改變了這個時代，從我們身邊的手機、汽車、筆記本電腦，到生產運營所需的核電廠、大型數據中心、衛星都離不開電池。電池技術的進步讓清潔科技（比如電動汽車和太陽能儲能）得以實現市場化和推動可持續發展。但我們已然被淹沒在各種各樣的新奇的名詞中：無負極電池，石墨烯電池，固態電池…很多投資人也常常被這些聽起來科技感十足的新概念所「蒙蔽」。那麼電池技術的未來究竟在哪裡呢？本篇文章中，我們將用最通俗易懂的 模型介紹鋰電池的核心原理，並且對科學界所認可的幾大方向的發展稍作介紹。我們希望，在電池原理的探索上帶你走出「迷霧」，更高效地選擇可持續商業的投資機會。

電池，顧名思義，裝電的池子，是存儲電能的裝置。而「電」在我們的生活中是如此的普遍，各位不妨看看周圍，幾乎所有的智能裝置都是由電驅動的，手腕上帶著某瑞士知名機械錶的土豪可以有個小小的例外。那麼電就需要存儲起來，這時候電池就是必須的了。

為什麼我們覺得電池很差？

相信大家一定聽過或者有過這樣的想法，為啥現在的電池這麼不耐用，我們的手機、電腦、硬碟這幾十年發生了翻天覆地的變化，手機越來越小，電腦CPU越來越快， 但這黑乎乎的電池為何發展這麼緩慢，體積依然龐大，依舊佔據了我們手機的大半空間，這些研究電池的傢伙簡直拖了我們現代文明的後腿。

圖1：iphone 5s手機內部結構，左邊一大半就是電池，圖片為作者拍攝

圖2：1990年以來硬碟技術，cpu技術，電池技術等的發展曲線（參考文獻9）

對於這樣的責難，電池表示很冤枉，因為這樣的對比本身是不公平的，因為兩種技術的物理本質是截然不同的。晶元、硬碟的發展本質上是人類加工技術的進步，電腦剛發明時，一個晶體管是厘米量級，但現在是10nm量級，這樣單位面積的晶體管數量就會增加1000000000000 （10^12）倍，速度也就基本增加了類似的倍數。那麼可以這樣認為，如果我們能做出無窮小的晶體管，我們的晶元的能力會無窮大，當然，我們是不可能做出無窮小的晶體管的，不可能「一尺之錘，日取其半，萬世不竭」，這裡只是非常na?ve的極限。

圖3：「古董」晶體管與「現代」晶體管，大小上相差~10^12量級，帶來了信息革命

怎麼理解電池？

然而，電池，作為儲存電能的裝置，系統的能量密度的極限是比較容易達到的。這裡我們先用一個非常簡單的模型理解一下電池，以鋰離子電池為例，

圖4：電池的高低水桶模型。水流在高低水桶的流動代表電池的充放電過程。正極對應高處水桶，負極對應低處水桶，電解質對應中間的水管，缺一不可。

在這個系統中，鋰離子是水桶中的水，電能就是這裡存儲的水的重力勢能，一個高的水桶里的水流到低處的水桶，就可以釋放這個能量，在電池中這個過程對應的就是放電；那我們用抽水機把低處的水抽到高處，也就是充電。在整個系統的質量一定，也就是水桶、水管、水的總質量一定時，這個系統的能量由水的質量和高度差確定：

E=ρvgh

即能量等於密度*體積*重力加速度*高度差，能量密度需要再除以整個系統的質量。

那麼整個系統能量密度的極限就是，我們把水桶、中間的水管的質量體積全都做到了最小，比如就是零，但水自身還是有體積質量的，那麼這個系統存儲的能量依舊是有限的。這個極限在鋰離子電池領域，就對應著鋰空氣電池，理論容量為11400 Wh/kg，只是我們現在已經商業化的鋰電池的42倍，是炸藥TNT的9倍。這個數字相比於我們晶元速度量級上的增長，簡直太小了。同時，這個數字還是理想化的，沒有任何附屬材料的質量，同時能不能長期充放電也未可知，你總不希望這麼好的電池用一次就扔了吧，可謂可望而不可及。

有了上面簡單的計算，大家直觀的感受了兩者的差別，所以你覺得電池不夠用，不是電池的錯，是晶元發展太快導致的。其實我們身邊的技術沒有哪個能像晶元技術這樣指數型的發展，你以前冬天穿成一個球，現在這個球的半徑小很多了么？我們的保暖技術怎麼沒能發展到讓我冬天在北京穿的跟夏天一樣薄呢？亦或是，我們的菜常溫下放兩天可能壞了，放冰箱放一周，但味道已經差很多，我們的食品保鮮技術怎麼沒能讓它放上十天依舊那麼好吃呢？每種技術背後的物理都是不同的，讓各個方向發展的一樣快是做不到的。

未來電池會如何發展？

那麼，給電池技術伸冤後，我們還是希望它能發展，雖然不能成倍成倍的發展，那每年提高各百分之幾，至少趕上我們GDP發展的速度，今年電池用1天，明年多一個小時總可以吧，那我們能有什麼樣的角度呢？

回到我們的高低水桶模型，在系統總質量一定時，能量密度等於密度*體積*重力加速度*高度差，通常情況下除了重力加速度咱們改變不了太多，為了增加系統的能量密度，我們可以增加液體密度，比如換成更重的液體；增加液體體積佔比，附屬材料所佔的比例減小，整體單位質量的容量可以增加；以及增大高度差，這樣單位質量的水就能存下更多能量。這三個方向正好基本可以對應現在電池發展的三個方向。

1. 增加液體密度-->開發二價的鎂或者三價的鋁來做電池。這樣一個鎂原子可以釋放兩個電子，一個鋁原子釋放三個電子，單位體積可以貢獻更多的電量。（有人可能很快算出來，如果按質量算，似乎沒進步，但對於鎂或者鋁而言「水桶」就徹底不同了，整體來講還是會提高的）。主要的難點就是很難找到合適的「水桶」來裝Mg或者Al，並且Mg和Al帶有多個電子，在「水管」以及「水桶」中的流動會相比於Li困難的多。

2. 增加液體體積佔比-->開發新的正負極材料，使非鋰部分佔的比例越小越好，等效於水桶越來越薄。以負極材料為例，我們現在見到的鋰電池都是使用石墨作為電極，那麼我們用多重的「水桶」跟裝了公斤的「水」呢？「滿」的狀態是LiC6，「空」的狀態是C，我們看到72g的石墨才「裝」了7g的鋰，這個效率似乎太低了點。但耐不住石墨作為負極非常安全。其實最開始的鋰電池研究中（~1970s），鋰片是直接用來做負極的，這樣負極的容量會提高11倍之多，整個電池的能量密度也能提高兩倍左右。但雖然製作電池時可以密封的很好，隨著充放電，鋰片表面會生成一座一座的鋰金屬「山峰」，「山」越來越高，電池很快就會短路，發熱，起火。所以大家最後選擇了石墨，石墨用了幾十年，各種該優化的地方都優化了，技術手段也發展了，現在又有人想起了鋰片，鋰片上面不是喜歡有「山峰」生成么？我用更厚更堅硬的固體把你壓上，這樣鋰片就老實了。這個就是「固態電池」，當然說起來簡單，但用什麼固體來壓，怎麼壓，壓完裡面鋰離子還能不能跑都是非常大的問題。（此處可戳可道之前對「無負極」鋰電池黑科技的評述文章）

拓展閱讀：小「負」機「安」——這款電池黑科技，即將顛覆我們的生活？

3. 增大高度差-->開發新的更高電壓的正極材料。 現在最常見的正極為鈷酸鋰，最高電壓在4.2V，現在在研究的高壓電極，別看有「高壓」二字，但最高電壓也就在5V上下，這樣別的不變，能量密度能提高~20% 。但最高電壓提高到5V的問題是多種多樣的，比如之前用的電解質（高低水桶之間的水管）就受不了了，5V在我們看來不高，但對於現有的電解質就真是高壓了，需要創造新的電解質。

簡單說了三個比較大的方向，其實各個方向都是牽一髮而動全身，比如增加電壓，電解質就需要新的，使用鋰片做負極，也需要新的電解質。這些都需要我們去創造自然界不存在的材料，筆者的研究工作也集中在電解質方面，有興趣的同學歡迎與我一起討論。

圖6：1991年以來鋰電池的單位體積，單位質量能量密度的發展，四個點均為已經商業化量產的鋰電池的能量密度，具體可見參考文獻（1）

我們來看一看自1991年第一個商業化鋰電池問世以來，鋰電池的發展曲線，可以看到單位體積的能量提高了近4倍，單位質量的能量也提高了近3倍，讓我們為它喝彩，這個老夥計的誕生使得我們的手機能夠撐上一天，我們的電動車一次能跑上近500公里，並且能充放電上千次，沒有記憶效應，安全可靠。

電池對於可持續發展

電池技術的發展，除了讓我們的手機能夠撐滿一整天，電動車能夠半小時充80%的電量，它對於我們的可持續發展也是至關重要的。清潔能源的發展是可持續發展的重要部分，其中就包括太陽能電池、風能、潮汐發電等等，這些清潔能源有一個很大的特點：不穩定性，比如太陽能只有白天有，風能在風季比較強。那麼能夠廉價的高效的保存這些電力，就是這些技術能夠大面積推廣的前提。在這個問題上，鋰電池因為相對昂貴並不適用，其他的電池比如鈉電池更加有競爭力，我們以後可以詳細介紹。

電池，這項人類發明了200多年的技術依舊在不斷的進步，科學家不斷的嘗試，同時機器學習、深度學習在其他領域顯示的強大功能也讓科學家嘗試著使用這些方法去發現新材料，改進現有的電池技術。我們相信，電池技術的發展除了讓我們的生活更加方便、環境更加美好，也能帶給我們更多基礎科學的發現，推動整個人類社會的發展。

（文章僅代表作者個人觀點）

參考文獻：

1. Janek, J. and W. G. Zeier (2016).Nature Energy 1: 16141.

2. Lin, M. C., et al. (2015).Nature 520(7547): 325.

3. https://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f10/es113_zhang_2012_o.pdf

4. Energy density - Wikipedia

5. http://www.batteryspace.com/prod-specs/NCR18650B.pdf

6. Tesla Model S - Wikipedia

7. Lithium-ion battery

8. History of the battery

9. CHART OF THE DAY: The Depressing Truth About Battery Technology

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責任編輯： 常雪羽 李昕

作者簡介： 何性峰，可道運營部藝術指導，清華大學物理系畢業，現馬里蘭大學在讀博士生，致力於理解電池中基本科學，開發下一代電池技術。

審 稿： 張佳辰 陳特 李菁

致 謝： 何平宇 朱一舟

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