電池的容量究竟是被什么給限制了？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-08 19:48
點擊量：次
我們生活中所見到的絕大部分燃料與電池，這類能量載體，涉及到化學主要是氧化還原反應。能量載體們涉及到的具體化學過程千變?nèi)f化，但總能歸納到一個氧化還原反應。
氧化還原反應的實質(zhì)是電子從還原劑到氧化劑的轉(zhuǎn)移。大家有沒覺得跟電池很像？？電池的負極為還原劑，正極為氧化劑（不是特別準確）。電子從負極經(jīng)過外部電路流至正極，然后順便做點功：點亮燈泡，驅(qū)動車輛，支撐手機與電腦。
既然電子是能量的來源，那么我們就可以通過電子的密度來估計能量密度了。這里我們先假設電子能做的功都是一致的（這個顯然不對，實際上取決于氧化劑與還原劑的種類。但如果仔細考察，對于常見的電池與燃料，這點不是主要因素）。
能量載體的電子密度，在按體積計算情況下，主要取決于兩個因素；按照重量計算，就一個。
1. 按體積計算：能量載體的物質(zhì)密度。固體>液體>>>>>氣體。這點很好理解。
2. 能量載體的電子轉(zhuǎn)移比例。如果化學忘光了，這點很不好理解；如果還有些印象，這點也很好理解。原子的內(nèi)層電子基本不參與化學反應，自然也不會轉(zhuǎn)移，只有外 層那幾個才會轉(zhuǎn)移做功。電子轉(zhuǎn)移比例是指參與反應的電子數(shù)與分子總電子數(shù)的比例。通常而言，還原劑的外層電子數(shù)不會太多，但內(nèi)層電子數(shù)可是隨著原子數(shù)增大 而增大的。更要緊的是，原子數(shù)增加后質(zhì)子與中子都在增加，而這兩者都是質(zhì)量的主要來源。
舉幾個例子：
1）H2-2e=2H+ 氫原子只有一個電子，全參與反應了， 電子轉(zhuǎn)移比是100%
2）Li-e=Li+ 鋰原子有三個電子，只有一個參與反應，電子轉(zhuǎn)移比是1/3=33%
3）Zn-2e=Zn(2+) 鋅原子有三十個電子，只有兩個參與反應，電子轉(zhuǎn)移比是2/30=6.7%
對于大多數(shù)物質(zhì)，電子轉(zhuǎn)移比例都很低，原因前面提到過。由此可見只有在元素周期表的前兩行的輕原子有可能成為好的能量載體。前兩行元素只有10個，氫氦鋰鈹 硼，碳氮氧氟氖。其中氦 與氖 都是惰性氣體，排除。氧與氟都是氧化劑，排除。氮大多數(shù)情況下都是準惰性氣體，如果不是惰性氣體要么毒死人要么熏死人，排除。我們還剩下5個元素，氫 (100%)，碳(66%)，硼(60%)，鈹(50%)，鋰(33%)。
最適合擔任能量載體的兩種元素分別是碳和氫，碳氫化合物，實際上就是我們生活中常見的汽油柴油煤油天然氣等燃料。汽車選擇這些高能量載體作為能量來源，已經(jīng)是自然中的較優(yōu)解了。電池跟各種碳氫化合物相比，可以說是天生不足。
二：電池的大問題之一，擺不掉的電解液
根據(jù)上面的解釋，我們可以知道，電池很難在能量密度上超過燃料，不過似乎也能達到燃料的一半到1/4的水平。然而現(xiàn)實中電池的能量密度往往只有燃料的1%不到。不信請看數(shù)據(jù)。
能量密度比較：
這里先只說放電：電池內(nèi)部，金屬鋰在負極失去電子被氧化，成為鋰離子，通過電解質(zhì)向正極轉(zhuǎn)移；正極材料得到電子被還 原，被正極過來的鋰離子中和。電解質(zhì)的理想作用，是運送且僅運送鋰離子。電池外部，電子從負極通過外界電路轉(zhuǎn)移到正極，中間進行做功。理想情況下，電解質(zhì) 應該是好的鋰離子的載體，但絕不能是好的電子載體。因此在沒有外界電路時，電子無法在電池內(nèi)部從負極轉(zhuǎn)移到正極；只有存在外界電路時，電子轉(zhuǎn)移才能進行。
燃燒的電子轉(zhuǎn)移在微觀范疇上完全無序也不可控。我們完全沒法預測燃料與氧氣分子會往哪個方向運動，下一時刻的速率如何，我們也不知道燃料上的電子會向那個方 向轉(zhuǎn)移到哪個氧氣分子上。10^20-23次方的分子的隨機運動與更多的電子的隨機轉(zhuǎn)移導致的結(jié)果是無序的能量釋放，或者簡單點說，放熱。
電池相比而言就好辦點。盡管我們依舊不知道電池里面的每一個分子的運動軌跡，但我們至少可以知道：金屬鋰只會在負極材料表面失去電子成為鋰離子；鋰離子會從 負極出發(fā)，最終到達正極。電子只會從負極材料表面出發(fā)，向著高電勢的正極運動。10^20-23次方的電子的協(xié)同運動，在宏觀上我們稱之為，電流。
三：電池的大問題之二，負極表面材料
電解質(zhì)的重量一般占電池全重15%（鏈接找不到了）隔膜沒查到。估計把外殼，外接電極之類的輔助材料都算上，總重應該不超過電池總重的50%。
發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的其實只是一部分鋰與鈷,其它的元素均不參與電子轉(zhuǎn)移。
然后我們做個小計算：單質(zhì)鋰的原子量為6.9，能貢獻1個電子參與電子轉(zhuǎn)移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。
鈷酸鋰電池的電池反應的反應物總分子量為98+72=170，但只能貢獻半個電子參與電子轉(zhuǎn)移。因為只有部分鋰原子會發(fā)生反應。
假如我們認為這兩個電子的做功是一致的，那么就可以估計一下這兩種能量載體的能量密度之比了。
電池能量密度：燃料能量密度=（0.5 /170） /(1/6.9) =2.03% 電池完敗。
考慮到電池有一半重量是輔助材料，我剛才沒算進去。于是還得打個折。就剩下1%了。
所以能量密度就成了這樣：鋰 43.1MJ/Kg 鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg
為什么正極負極的表面結(jié)構(gòu)都需要有序？因為要保證在充電/放電時，氧化還原反應只在正極和負極的表面發(fā)生，這樣才能有電流。
我們先看石墨（C6）所在的負極。
負極的任務很簡單，放電時保證鋰原子（不是離子）都在負極表面失去電子，充電時再把它們抓回來就好了。由于充電時陽極電壓低，帶正電的鋰離子會自發(fā)向負極移動，得到電子回歸為鋰原子。
我們都知道 所有金屬都是良好電子導體，鋰是金屬，所以鋰是良好電子導體。于是先到負極的鋰原子成為了負極的一部分，于是后到負極的鋰離子加入了前鋰的行列。。。。
于是完全由鋰原子構(gòu)成的晶體出現(xiàn)了。這個過程，又稱析晶。結(jié)果是鋰晶體會刺穿隔膜到達正極，于是電池短路報廢了。
在充電過程中，我們對于鋰離子的控制實際上很弱。我們只能保證鋰離子會移動到負極表面，但我們無法保證鋰離子會均勻地分布在負極表面。因此在沒有外來約束條件下，充電時鋰晶體會在負極表面無序生長，形成枝晶 （dendritic crystal）。
石墨層之間的空隙夠大，足以容納單個鋰原子，但也只能容納單個鋰原子；然后石墨層與鋰原子之間的物理吸附作用可以穩(wěn)住鋰原子，于是鋰原子在沒有外來電壓時候也能安心待在負極表面。
如此以來，鋰原子便不會野蠻生長了。但能量密度也上不去了。
四：電池的大問題之三，正極表面材料
為了讓鋰原子在每次充電時能夠均勻有序地分布在負極表面，負極表面需要一層固化的結(jié)構(gòu)來約束（有序化，降低熵值）鋰原子的分布。這個設計在很大程度上稀釋了電池的能量密度。
正極實際上也有同樣的問題，為了讓鋰離子在每次放電時能夠均勻有序地分布在正極表面，正極表面需要一層固化的結(jié)構(gòu)來約束（有序化，降低熵值）鋰離子的分布。這個設計在很大程度上稀釋了電池的能量密度。
五：電池的大問題之四，材料選擇上的捉襟見肘，以及其它
我假設看到這里的人完全理解了可充放電池設計上的種種限制。為了有序的電子轉(zhuǎn)移，為了有序的鋰離子與鋰原子的分布，電池需要電解質(zhì)以及各種輔助材料，需要在陰極陽極表面有規(guī)整的結(jié)構(gòu)，而這些都是以能量密度為代價的。
1）電池技術(shù)太弱了： 這些設計多么巧妙，明明是人類智慧之大成。
2）電池技術(shù)大有可為：對于未來的展望，我們必須有一個現(xiàn)實的態(tài)度。電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了百余年，早就過了爆發(fā)期；支持電池技術(shù)發(fā)展的理論科學為物理與化學，它們的理論大發(fā)展大突破都是在二戰(zhàn)前就已經(jīng)結(jié)束了?？深A見未來的電池技術(shù)，必然是基于現(xiàn)在的電池的發(fā)展。
在民用領域，電池的能量密度是讓人最為頭疼的問題之一，但又是最難解決的問題.過去的電池能量密度之所以能不斷提高，是因為科學家一直在找原子量更小的元素 來充當氧化劑，還原劑，以及支持結(jié)構(gòu)。于是我們見證了從鉛酸到鎳鎘，從鎳鎘到鎳氫，從鎳氫到現(xiàn)在的鋰離子的可充放電池發(fā)展歷程，但以后呢？
還原劑方面：我在開頭就說過了。電子轉(zhuǎn)移比例高的元素就那么幾個：氫，碳，硼，鈹，鋰。其中適合作為可充電電池還原劑的只有鋰。氫，碳 只在燃料電池中出現(xiàn)。硼，鈹至今都不是主要的研究方向，我也不知道這是為什么。
氧化劑方面：如果不用過渡金屬，那么選擇就是第二行第三行的主族元素。鹵素顯然不行，那么就剩下氧與硫?，F(xiàn)實是 鋰空氣電池（鋰 氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進展都不樂觀。
