究竟是什么限制了電池容量？

自上世紀(jì) 60 年代以來，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會增加一倍。換個說法是18個月便會將芯片的性能提高一倍，這就是我們所熟知的摩爾定律。得益于此，消費電子產(chǎn)品在過去 60 年里快速小型化并普及開來。然而，與半導(dǎo)體和電子領(lǐng)域的指數(shù)級進(jìn)展形成鮮明對比的是電池化學(xué)/材料領(lǐng)域的緩慢進(jìn)步。

(資料圖片僅供參考)

如果我們以 1859 年普朗特發(fā)明首個實用型可充電電池鉛酸蓄電池為起點，假設(shè)其能量密度的演化（~1 Wh/kg 或 3600 J/kg）受摩爾定律的控制，那么到 1928 年，儲存在 1 公斤電池中的能量將等于第一顆原子彈的爆炸能量（~10^11 Wh 或 ~10^14 J ）；到 1950 年，可以從電池質(zhì)量轉(zhuǎn)換的能量將等于根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)量能量方程 E=mc^2 計算得出的能量（~ 10^13 Wh 或 ~ 10^16 J）。并且照這個趨勢繼續(xù)下去，那么在一個世紀(jì)內(nèi)，這一數(shù)字將變成真正的天文數(shù)字。但是現(xiàn)實是，電池的能量密度相較其最早發(fā)明時并沒有指數(shù)級的躍升，自1970年以來，平均增長率僅約 5%。

以 1970 年以來的實際電池能量密度增長為例，早期發(fā)明的鎳鎘、鎳氫電池變化不大，90 年代后量產(chǎn)的鋰離子電池雖然擁有比前代的鎳鎘、鎳氫電池更大的能量密度，但在之后 30 年的發(fā)展中，也難以突破 400 Wh/kg 的上限。即使是能量密度更高的鋰金屬電池，也只是達(dá)到 500 Wh/kg 的級別。

如果我們將鋰離子電池的能量密度與其他物質(zhì)相比較，可以看到，在下面的坐標(biāo)系中，鋰離子電池位于最左下角。而汽油、柴油、煤油、天然氣等燃料所使用的碳?xì)浠衔镲@然具備更高的能量密度。這意味著，我們目前所依賴的電池在化學(xué)物質(zhì)本身的能量密度上就具有天然的劣勢。

那么能不能換一種能量密度更高的新類型的電池呢？很遺憾，以鋰元素為代表的電池，已經(jīng)是伏打發(fā)明第一個電池以來，我們目前所能量產(chǎn)的最具潛力的電池。在所有金屬中，鋰的原子序數(shù)最低，因此原子量最小，密度最低。同時鋰屬于堿金屬，也是最活潑的金屬之一。1913 年，吉爾伯特·路易斯和弗雷德里克·凱斯經(jīng)過實驗得到了鋰的精確電位，并宣稱鋰是具有最高電極電位的電極材料。小原子量、極低的還原電位和單價電荷的偶然組合，使得鋰具有其他元素或化合物幾乎不可能匹敵的獨特性質(zhì)。憑借這種優(yōu)勢，鋰在過去五十年中基本上主導(dǎo)了尋求更高能量密度電池的努力。

而在實際應(yīng)用中，鋰離子電池以及類似的化學(xué)儲能型電池背后的基本化學(xué)原理，又進(jìn)一步限制了電池的能量密度。可以看到以鋰與氧氣反應(yīng)和實驗中的鋰空氣電池為例，其質(zhì)量能量密度為 43 MJ/kg，但在實際量產(chǎn)中的鋰電池和鋰離子電池的質(zhì)量能量密度便極速下降。

這是為什么呢？我們都知道電池的本質(zhì)是其背后的氧化還原反應(yīng)，在此期間電子會在外部電路定向移動形成電流。而我們對于電池的需求，除了能夠提供電能以外，還需要它能夠重復(fù)充放電，并且足夠安全。而要做到這一點，就要求電池內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)是可控有序的，這一點就將電池與燃料物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)分開來。燃料燃燒時也會發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生能量，但其中的電子轉(zhuǎn)移是無序不可控的。為了有序的電子轉(zhuǎn)移，電池不得不攜帶沒有能量但是必不可少的電解質(zhì)以及各種輔助材料，于是進(jìn)一步降低了自身的能量密度。

在鋰離子電池之前，1980 年代首先量產(chǎn)的其實是鋰金屬電池。典型代表是 Moli Energy 公司銷售的 AA 電池。但是由于鋰過于活潑，極易發(fā)生我們所不希望的副反應(yīng)，形成鋰枝晶，造成鋰金屬電池短路自燃。這使得使用鋰金屬電池的手機(jī)發(fā)生多起起火事件，Moli Energy 也因此破產(chǎn)，標(biāo)志著研發(fā)鋰金屬電池的主流努力的結(jié)束。

退而求其次的便是我們今天廣泛使用的鋰離子電池。不再使用鋰金屬作為電極，而是使用石墨負(fù)極和各種鋰化合物作為正極，放電時鋰離子從石墨負(fù)極脫出嵌入正極材料中，充電時鋰離子再由正極脫出嵌入石墨負(fù)極。相比鋰金屬電池，鋰離子電池本身真正能夠提供能量的含鋰量又進(jìn)一步下降。

同時，為了保證反應(yīng)的正常進(jìn)行，鋰離子電池內(nèi)部有大量并不貢獻(xiàn)容量卻必不可少的材料，例如電解液、隔膜、集流體等；并且，如果正極材料上的鋰離子全部參與反應(yīng)，正極材料的晶體結(jié)構(gòu)將會被破壞，導(dǎo)致電池容量發(fā)生不可逆下降，因此，鋰離子不能從電池正極材料中完全脫出，也就是說有相當(dāng)一部分鋰離子本身也不能貢獻(xiàn)能量；另外，鋰離子脫出過多的正極材料穩(wěn)定性較差，易發(fā)生熱失控導(dǎo)致電池燃燒，因此鋰離子電池內(nèi)部還需要額外的不貢獻(xiàn)容量的零部件結(jié)構(gòu)以保證電池的安全性。

電池界流傳的有一句格言，“給定最好的正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)，只需將它們組合在一起，就可以生產(chǎn)出最差的電池”。我們所能安全掌控的用來制造電池的化學(xué)物質(zhì)本身的特性，注定了電池材料的開發(fā)是一項極具挑戰(zhàn)的工程。自從兩個多世紀(jì)前伏打組裝出第一塊電池伏打電堆以來，只有不到 20 多個電池系統(tǒng)（一次電池和可充電電池）成功商業(yè)化。雖然電池只由三個主要活性成分組成：正極（陰極）、負(fù)極（陽極）以及以離子方式連接電極的電解質(zhì)。這樣的配置看似簡單，但事實上，這三種成分之間的多重相互作用和反應(yīng)，無論是直接的還是間接的，都使新電池的發(fā)明變得極其困難。必須在這三個組成部分之間進(jìn)行徹底的平衡，通過仔細(xì)設(shè)計、選擇和集成，同時優(yōu)化幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)（能量和功率密度、循環(huán)和日歷壽命、效率、安全性和成本）。惰性成分（隔膜、電極基板和添加劑）的存在使事情進(jìn)一步復(fù)雜化，因為它們在化學(xué)層面并不是真正的惰性。

鋰離子電池能夠在過去三十年里不斷進(jìn)步，很大程度上是得益于消費電子與新能源汽車的巨大需求。然而在沒有突破性的技術(shù)出現(xiàn)之前，我們很難逾越元素與化學(xué)反應(yīng)本身的限制，電池容量也必將受限于此，成為我們這個時代的阿喀琉斯之踵。

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