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究竟是什麼限制了電池的容量?

2018年09月12日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 4 ℃ 次

【陳遠威的回答(2257票)】:

5.1終結。建議開f11全屏,然後每次只看一部分慢慢消化。

提綱:

一:背景知識

二:電解質

三:陽極

四:陰極

五:總結

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對於這個問題,我們可以這麼看:電池的容量=能量密度X電池體積。電池體積自然想怎麼做就怎麼做了,能量密度是關鍵。

於是這個問題可以理解為:當前電池的能量密度為何難以提高?

一句話的簡單回答是:電池背後的化學限制了電池的能量密度。

上圖從wiki中轉載的各種能量載體的能量密度。上圖從wiki中轉載的各種能量載體的能量密度。

我們的手機,平板,筆記本,手錶,以及赫赫有名的Tesla使用的電池,都是最左下角的鋰離子電池。(我怕大家找不到劇透一下)

然後請尋找汽油,柴油,丁烷,丙烷,天然氣的位置。

估計找到之後一般人會有以下想法:

1)電池技術太弱了

2)電池技術大有可為

個別化學好一些的人想法會多一些

3)燃料電池技術將是明日之星。

我的想法:以上都是幻覺,幻覺。

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一:電池與燃料背後的簡單化學

先做一點知識性的回顧(或者普及)。

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萬化,但總能歸納到一個氧化還原反應。

氧化還原

氧化還原反應的實質是電子從還原劑到氧化劑的轉移。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)。電子從負極經過外部電路流至正極,然後順便做點功:點亮燈泡,驅動車輛,支撐手機與電腦。

既然電子是能量的來源,那麼我們就可以通過電子的密度來估計能量密度了。這裡我們先假設電子能做的功都是一致的(這個顯然不對,實際上取決於氧化劑與還原劑的種類。但如果仔細考察,對於常見的電池與燃料,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,主要取決於兩個因素;按照重量計算,就一個。

1. 按體積計算:能量載體的物質密度。固體>液體>>>>>氣體。這點很好理解。

2. 能量載體的電子轉移比例。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。原子的內層電子基本不參與化學反應,自然也不會轉移,只有外層那幾個才會轉移做功。電子轉移比例是指參與反應的電子數與分子總電子數的比例。通常而言,還原劑的外層電子數不會太多,但內層電子數可是隨著原子數增大而增大的。更要緊的是,原子數增加後質子與中子都在增加,而這兩者都是質量的主要來源。

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,電子轉移比是2/30=6.7%

對於大多數物質,電子轉移比例都很低,原因前面提到過。由此可見只有在元素週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。氮大多數情況下都是准惰性氣體,如果不是惰性氣體要麼毒死人要麼熏死人,排除。我們還剩下5個元素,氫(100%),碳(66%),硼(60%),鈹(50%),鋰(33%)。

再進一步說,如果我們把一個原子當成電池的負極。那麼這個半電池的能量密度(質量單位)可以用電子轉移數與原子量來估算。如此以來,上面的比例將更為懸殊。還以氫作為基準:

碳(4/12 33%) 硼(3/10.8 28%), 鈹(2/9,22%) 鋰(1/7,14%)

大家很容易發現,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,已經是自然中的較優解了。電池跟各種碳氫化合物相比,可以說是天生不足。

----------------------------------------------------第一部分結束 4.23----------------------------------------

二:電池的大問題之一,擺不掉的電解液

根據上面的解釋,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。然而現實中電池的能量密度往往只有燃料的1%不到。不信請看數據。

能量密度比較:

汽油:46.4MJ/Kg鋰43.1MJ/Kg 鋰電池(不能充電)1.8MJ/Kg鋰離子電池0.36~0.875MJ/Kg

其實汽油與鋰的能量密度還真沒多大。主要原因是碳到氧的電子轉移做功其實不夠大(共價鍵 鍵能差別)但從鋰到鋰電池。。。。再到鋰離子電池,這中間究竟發生了什麼??

原因很明顯。鋰或者鋰離子電池裡面不光是金屬鋰,還有別的水貨。

我查到了這麼一個估算電池裡面鋰含量的公式。ponytest.com/document/b?

m=0.3*Ah.用人話說,把電池容量(安時)乘以30%就能算出電池中的鋰含量(克)

對於赫赫有名的18650(手機筆記本特斯拉)電池來說,其重量在42g左右,標稱容量在2200mAh左右,於是其鋰含量為2200/1000*0.3=0.66g大概是總重量的1.5%。

原來如此啊!如此以來我們只要提升電池中的鋰含量就能提高能量密度了!!

真要這麼簡單就好了。我們先來看看鋰電池除了鋰還有啥。

別走啊!!圖看不懂可以聽我歸納嘛。一般而言電池的四個部件非常關鍵:正極(放電為陰極),負極(放電為陽極),電解質,膈膜。正負極是發生化學反應的地方,重要地位可以理解。但是電解質有啥麼用處??不做功還很占重量。接著看圖。

回來回來,看不懂圖就聽我講,沒點耐性上啥麼知乎?直接去天涯網易好了。

上圖非常好地顯示了電池充放電時的過程。這裡先只說放電:電池內部,金屬鋰在負極失去電子被氧化,成為鋰離子,通過電解質向正極轉移;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移到正極,中間進行做功。理想情況下,電解質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,電子無法在電池內部從負極轉移到正極;只有存在外界電路時,電子轉移才能進行。

真暈,你不是說「能量載體們涉及到的具體化學過程千變萬化,但總能歸納到一個氧化還原反應」 「氧化還原反應的實質是電子從還原劑到氧化劑的轉移」,汽油車沒有電解質吧?但是汽油燃燒也有電子轉移吧,咋麼就不能發電呢?

是的,燃燒必然涉及電子轉移,那麼燃燒的電子轉移與電池的電子轉移根本區別在哪裡??

是否有序。

燃燒的電子轉移在微觀範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移導致的結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。儘管我們依舊不知道電池裡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,最終到達正極。電子只會從負極材料表面出發,向著高電勢的正極運動。10^20-23次方的電子的協同運動,在宏觀上我們稱之為,電流。

總結一下吧。為了放電,為了有序的電子轉移,電池們不得不攜帶沒有能量但是必不可少的電解質以及各種輔助材料,於是進一步降低了自身的能量密度。

這就完了麼?沒有。

老實說這一部分只是個鋪墊,讓有興趣有耐心的人練練級,最終boss還沒出現呢。

----------------------------------------------------第二部分結束 4.26----------------------------------------

三:電池的大問題之二,負極表面材料

大家好,我又回來了。

如果你能堅持每行讀下來一直讀到這裡,恭喜,你對電池的理解已經上了一個層次。

現在回顧上一部分的內容。啥麼??全忘了??不就一句話麼?由於不做功但是必不可少的電解質以及其他輔助材料的存在,電池的能量密度被稀釋了。

這些額外重量到底有多少??

電解質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%。

不對啊,電池雖然摻『水』了,但也不至於水得如此啊。市面上的鋰離子電池們的能量密度也就單質鋰的1%左右。這到底又發生了什麼?(這句式為何這麼熟悉呢?)

喝點鮮橙多,讓我們看看最常見的鈷酸鋰電池(TeslaRoadster)的電化學反應式。

醒醒啊!!化學不好沒關係,不要暈倒啊!!都讀到這裡了,你也知道達主會歸納的呀!!

發生電子轉移的其實只是一部分鋰與鈷,其它的元素均不參與電子轉移。

然後我們做個小計算:單質鋰的原子量為6.9,能貢獻1個電子參與電子轉移。氧化劑來自空氣,不需要考慮。然後我們做個小計算:單質鋰的原子量為6.9,能貢獻1個電子參與電子轉移。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移。因為只有部分鋰原子會發生反應。

假如我們認為這兩個電子的做功是一致的,那麼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。於是還得打個折。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

呵呵呵呵呵呵呵……還跟得上麼??四則運算多簡單呀。現在知道發生了什麼了吧??

現在你們是否明白 我為啥說:電池背後的化學限制了電池的能量密度。

接下來我們的問題是:為什麼電池的化學反應要那麼複雜,直接降低了電池的能量密度。

這個問題展開說會比較複雜,估計大部分人沒耐心看完。所以先給個簡單答案:

為了有序。

好了,沒耐心的人,你們可以走了。下面真的很長,能讀完的都不是一般人。

開始長篇之前再放張圖:

剩下的同學們,是不是覺得這圖很熟悉?其實還是鋰電池的示意圖,只是這回因陰極陽極的表面結構都顯示出來了。大家有沒有覺得它們都很整齊規矩啊??

整齊規矩換個說法,有序

為什麼正極負極的表面結構都需要有序?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。由於充電時陽極電壓低,帶正電的鋰離子會自發向負極移動,得到電子回歸為鋰原子。

似乎沒有石墨什麼事情啊??

如果是一次性電池,確實不需要石墨。但如果是可充放電池,陽極表面材料不是石墨也會是其它物質。

別賣關子了,快說到底咋回事??

急啥。這得仔細想想。充電時,鋰離子會在負極表面得到電子成為鋰原子。然後呢??

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。於是先到負極的鋰原子成為了負極的一部分,於是後到負極的鋰離子加入了前鋰的行列。。。。

於是完全由鋰原子構成的晶體出現了。這個過程,又稱析晶。結果是鋰晶體會刺穿隔膜到達正極,於是電池短路報廢了。

對於析晶這一現象,我們可以這麼理解。

在充電過程中,我們對於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佈在負極表面。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)。

所以一定要有個約束條件。要挖個坑讓鋰離子往裡面跳。

這個坑的具體表現即為負極表面的石墨材料。如上圖所示,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;然後石墨層與鋰原子之間的物理吸附作用可以穩住鋰原子,於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。

----------------------------------------------------------第三部分結束 4.30--------------------------------------------------

四:電池的大問題之三,正極表面材料

今天白天知乎特別的安靜,基本沒啥新提醒。於是我明白,我得趕緊寫完了。再不寫完,也就真沒人看了。

上一部分歸納總結一下,為了讓鋰原子在每次充電時能夠均勻有序地分佈在負極表面,負極表面需要一層固化的結構來約束(有序化,降低熵值)鋰原子的分佈。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佈在正極表面,正極表面需要一層固化的結構來約束(有序化,降低熵值)鋰離子的分佈。這個設計在很大程度上稀釋了電池的能量密度。

但還不止。

我相信,能看到這裡的人,一定有非凡的耐心,你們一定能明白這張圖的含義。我相信,能看到這裡的人,一定有非凡的耐心,你們一定能明白這張圖的含義。

這是電池正極材料充放電時結構變化的示意圖。這裡的M代表金屬原子,X代表氧原子。這張圖的各種原子的大小比例不要當真。鋰離子要比另外兩個都小很多。

我們可以看到,MX2們在正極基底上形成了幾層很規整(很有序)的結構,放電時,電子在正極(正極)聚集,鋰離子向正極移動,穿插進入MX2結構的空隙,從而有序的分佈在正極表面。MX2中的金屬離子得到電子被還原,從而起到氧化劑的作用。

然而這張圖實際上包含了另一個大問題。

大家有沒有覺得兩邊的結構圖看上去特別的豆腐渣??就像下面這樣??

如果你玩過層層疊這種類型的遊戲,估計會知道,總有那麼幾塊積木,看上去無關緊要,但只要一動。。。。就成下面這樣子了。如果你玩過層層疊這種類型的遊戲,估計會知道,總有那麼幾塊積木,看上去無關緊要,但只要一動。。。。就成下面這樣子了。

這個結構一旦坍塌,不可能自己回復的。這個結構一旦坍塌,不可能自己回復的。

怎麼辦?適可而止,見好就收。套在電池正極這方面來說的話,那就是正極表面必須保持一定量的鋰離子來維持結構的完整。這個一定量,一般是50%。

這是為啥前面那個反應式會有一個 未知量 x。 即使是在充滿電的狀態下,還有近一半的鋰離子停留在正極表面。於是能量密度更低了。

題外話:這也是為啥鋰電池很怕過度充電,一旦過度充電,陰極的鋰離子跑光了,這堆積木就要塌方了。。。

五:電池的大問題之四,材料選擇上的捉襟見肘,以及其它

我假設看到這裡的人完全理解了可充放電池設計上的種種限制。為了有序的電子轉移,為了有序的鋰離子與鋰原子的分佈,電池需要電解質以及各種輔助材料,需要在陰極陽極表面有規整的結構,而這些都是以能量密度為代價的。

現在回到我開頭的論點:

1)電池技術太弱了: 這些設計多麼巧妙,明明是人類智慧之大成。

2)電池技術大有可為:對於未來的展望,我們必須有一個現實的態度。電池技術已經發展了百餘年,早就過了爆發期;支持電池技術發展的理論科學為物理與化學,它們的理論大發展大突破都是在二戰前就已經結束了。可預見未來的電池技術,必然是基於現在的電池的發展。

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,以及支持結構。於是我們見證了從鉛酸到鎳鎘,從鎳鎘到鎳氫,從鎳氫到現在的鋰離子的可充放電池發展歷程,但以後呢?

還原劑方面:我在開頭就說過了。電子轉移比例高的元素就那麼幾個: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。硼,鈹至今都不是主要的研究方向,我也不知道這是為什麼。

氧化劑方面:如果不用過渡金屬,那麼選擇就是第二行第三行的主族元素。鹵素顯然不行,那麼就剩下氧與硫。現實是 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。為啥?

因為電池的表面結構才是大問題。

現在納米技術不是進展很大麼?以後科學家們肯定能用各種納米線納米管納米球納米碗石墨烯設計出精細有序的表面結構的。那些實驗室們隔三差五的都會放出幾個大新聞啊。

這倒也沒錯,只是很可能會碰上隱藏boss。

啥??都到這裡了你搬出來什麼隱藏boss??搞笑啊!!!老子不看了!!!

不看就不看,反正我也不會告訴你隱藏boss是啥麼的。這個超出我專業範疇了。不過有兩個問題,如果還有人,不妨想一下。

1)石墨一直是鋰電池負極材料的不二選擇,事實上如果只考慮能量密度的話,金屬錫更適合作為負極材料。但到現在為止也就sony 推出過 錫電極的電池 (Sony nexelion 14430W1) 為什麼會這樣?

2) 除了鈷酸鋰之外,目前的其它鋰電池正極熱點材料 還有三元化合物Li(NiCoMn)O2 磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 然而由於壓實密度原因,採用這些材料的電池的容量並不如鈷酸鋰電池。為什麼人們還要大力研究??

最後,燃料電池實在沒空寫了,有人有興趣不如再問個問題吧。

【鄧文的回答(46票)】:

非專業,但是從外圍的觀點分析一下。

首先,贊同 @陳遠威的答案。基礎原理上電池的能量密度非常受限制。這是化學電池性能限制的根源性原因。我想在此答案的基礎上增補一些。

話說就想起來還年輕的時候,沒有正式入行,那時候我一向看到新聞上各種電池技術的突破就很激動。但是開始做了一些系統集成、設備製造的工作之後就徹底不激動了。不是因為我不覺得那些技術很牛逼,原因很簡單——它們中大部分永遠不會適用於消費設備,就算可以,也有很長的路要走。

要知道,一種電池能夠被用於消費者可以接觸的設備,需要有以下一堆特點中的每一個:

1、體積足夠小

2、重量足夠輕

3、儲存足夠多的能量

4、釋放能量足夠快

5、保存時間足夠長

6、壽命足夠長

7、可靠性足夠高

8、成本足夠低

9、使用足夠簡單

10、效率足夠高

11、帶來的額外影響足夠小

12、能夠大量生產

除了這些幾乎是絕對需求的特點,還需要有額外的一些「有更好」的特點:

1、電壓夠高

2、體積至少一個維度上尺寸足夠小

3、能夠再利用(充電)

4、能量釋放速度可控

5、充能時間短於使用時間

6、沒有奇怪的特性,比如記憶效應(記憶效應 (電池))

7、……

知道人類找到鋰電池這種能滿足以上每一個需求的電池有多麼不容易嗎!

先說為什麼鋰電池目前是最常用的電池吧。因為不是專業研究這個的,所以沒法說得有理有據,還請見諒。

1、能量密度,包括能量每重量和能量每體積都夠大,可以造出只有幾十g、體積只有幾個立方厘米還能以1A的電流在平均3.7V的電壓下放電2小時以上的電池。

不要小看這一點,相比之下一個常見鉛酸蓄電池(就是車上用的),體積重量是數千倍,但是所蘊含的能量只有1A電流在12V放電60小時,也就是百餘倍。

2、鋰電池放電能力足夠強,可以以安培級別的電流放電。

相比之下,常用的鹼性一次電池,最大放電量差不多是800mA在1.5V電壓下。可見放電能力差了許多。

3、自放電不是很大,可以保持電量數月不損失超過20%,容量壽命在兩年左右跌至80%,足夠長。

有一些物理電池技術,比如說飛輪,保持電量時間就短非常多。

4、使用夠簡單,只需要保護板防止過放電過充電就能安全使用,只需要連接正負極。

曾經有一種很有希望的物理電池,稱為微型發動機,顧名思義就是一種小到可以在手機裡運行的發動機可以驅動發電機。且不論其能量密度等問題,使用上這東西的結構太複雜,需要供燃料,通氣,等等,還不能保證安全。類似的還有一些高能量密度的電池例如燃料電池、融熔碳酸鹽電池等,不考慮它們的其他特徵,光是使用簡單一條就基本無法保證。

5、帶來的額外影響夠小。

這就不用細說了吧,鋰電池對於環境的影響夠小,最大的危險也就來自於可能的爆炸了,雖然聽起來很可怕但是相比鉛酸電池的內有強酸、核電池的有放射性要強太多了。雖然不及鹼性電池安全,但是比鋰電池更安全的電池沒有其他特性都比它強的。

6、可充電,可做很薄。

不用多說。

其他特點也都符合。

有空還想寫一些關於新電池技術為什麼沒有代替鋰電池的可能性的說明,不過感覺寫到這裡很多知友應該能分析每種新電池的「適者生存」的程度了,就不再賣弄自己這麼點知識了。

最後,具體的技術細節還請各位看過就好,只用過電池和參與過電池適配,知識有限,請要求嚴謹的學院派知友見諒。評論中有其他朋友給出的擴展閱讀,有興趣請翻閱。

【紀律律的回答(12票)】:

如果說只關注電池的容量,鋰硫電池早已甩開現在主流的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等鋰離子電池幾條街,可是為什麼鋰硫電池目前仍是在實驗室研究階段呢?

電池的發展不光是關注電池的容量這一個指標,而是高能量密度、高比容量、較長的循環使用壽命、較快的充放電速度、較小的自放電、無記憶性、靈巧輕便、環境友好等多指標的綜合。

@陳遠威 已經說了很多,電池的原理什麼我都不說了。

與傳統電池相比,鋰離子電池具有以下優點:

(1)輸出電壓高:單個電池電壓約為3.6-3.8V,是鎳氫電池和鎳鎘電池的3倍;

(2)環境友好:鋰離子電池由於沒有鉛、鎘、汞等有毒物質,是一種環保型的電池;

(3)安全性能和循環性能好;

(4)無記憶效應:鎳氫和鎳鎘電池都具有記憶效應,而鋰離子電池無記憶效應;

(5)能量密度高;

(6)可以大電流充放電:能充分滿足攝像機、電動車等設備的功率要求。

正極材料是鋰離子電池的關鍵組成部件之一,正極材料性能的好差直接影響鋰離子電池的性能目前商業應用的負極材料比容量已經遠遠超過了正極材料的比容量),成為限制鋰離子電池性能進一步提高的關鍵。同時,正極材料在鋰離子電池中所佔的成本為40%左右,因此,正極材料的生產成本將直接決定鋰離子電池的成本。

所以,綜合考慮多方面因素,其實真正的癥結所在就是在正極材料

那麼,作為一種理想的嵌鋰化合物正極材料需要哪些性質呢?

(1)電極電位高;

(2)比能量高;

(3)充放電反應的可逆性好;

(4)在所應用的充放電電位範圍內,跟電解液兼容性好,溶解度低(自放電小);

(5)電極反應動力學性能較好;

(6)資源豐富及價格低廉;

(7)在空氣中較穩定,環境友好等。

目前,用於鋰離子電池正極材料研究的化合物很多,總體可以分為四大類:過渡金屬氧化物、自由基型聚合物、有機含硫化合物以及導電聚合物。

具體的每種正極材料我就不展開介紹了,總之是各有各的優缺點。具體的每種正極材料我就不展開介紹了,總之是各有各的優缺點。

目前市場上應用的還是無機的過渡金屬氧化物正極材料,但是由於鈷金屬資源稀缺、價格昂貴,而其他金屬氧化物如LiNiO2、LiMn2O4等存在合成困難結構不穩定等缺陷,LiFePO4材料則自身導電性較差,難以滿足今後在電動汽車上的大規模應用。

有機正極材料具有能量密度高、原材料資源豐富、可以靈活設計等優點,但是傳統純粹的導電聚合物受摻雜程度影響,往往自身充放電實際比容量不高,沒有穩定的電壓平台,且循環性能不好,容量衰減較大等缺點,鋰硫電池雖然具有較高的理論比容量,但是由於鋰硫化合物的絕緣天性導致其較低的活性物質利用率,同時在充放電過程中可溶解的鋰硫化合物的產生導致活性物質的損失和阻抗的增加。自由基型聚合物的主鏈大多數是非共軛的,導致導電性較差,將其作為電極材料時需要加入大量的石墨等導電劑,活性物質僅佔10 wt.%,影響了其大規模實用化。

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在鋰離子電池體系中,負極材料的理論和實際比容量可以高達1000 mAh·g-1,遠超過現有的正極材料。雖然,部分正極材料的理論比容量也可達到300 mAh·g-1,但是由於受到材料本身結構的限制,導致實際比容量一般都不超過150 mAh·g-1。所以,開發出高性能的正極材料成為制備高性能鋰離子電池的關鍵。

【吳茂林的回答(5票)】:

根據題主的問題「究竟是什麼限制了電池的容量?」

以鋰離子電池為例說一下:1.材料限制:鋰離子電池的容量歸根結底是由正極材料活性物質的特性決定的(當然實際的電池中電池的其他部分在電池的充放電過程中也會對容量發揮有所影響),比如樓上提到的磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料,克容量發揮理論上能達到170mAh/g,也是就是說每克的這種活性物質就能發揮出170mAh的容量。如何找到一種牛X的材料最關鍵。

2.能量密度/容量密度:鋰離子電池結構為 正極電解液隔膜電解液負極 +外殼組成,(這些組成部分密度越小越好)

我們需要將正負極活性材料以一定的厚度均勻的塗覆於基體上(正極為鋁箔,負極為銅箔),然後經過輥壓將材料壓實,這裡就涉及到了壓實密度的問題,理想狀態是,我盡情的塗覆活性物質越多越好然後壓的越薄越好,容量也就越高嘛,但現實情況是每一種材料都有它的極限壓實密度,再薄就會破壞它的內部結構造成失效,鋰離子無法穿梭。

加上針對不同的用途,動力用,儲能用,手機等電子產品用……尺寸上也有所限制。

【Belleve的回答(14票)】:

主要的麻煩是

  1. 既然要做成實用電池,那反應物不能有除空氣之外的氣體,對吧?否則我用電池還得拖一高壓氣瓶?出於安全考慮,最好是所有的反應物都是固體,對不對?
  2. 很多電池要求反應可逆,外面一加電壓電池就變電解池。為了達到這個要求至少放電反應產物不能是氣體吧,否則你氣體逸出了怎麼電解逆變?

這麼一過濾,能用到的材料就屈指可數了。

至於功率密度之類,反正有高大上的電子科技在,不是難事。我電池拆成兩半用就能功率翻倍。

註:很多一次電池的能量密度和比能都高於目前的鋰離子電池。

【知乎用戶的回答(2票)】:

正極材料的不足制約了電池的發展。

【alphaWTF的回答(4票)】:

就我個人的接觸來看,按照現有的量產鋰電池的思路,不管是工藝提升還是正負極材料、電解質和電池隔膜的材料開發,都很難給鋰電池的容量和循環充電次數帶來根本性的提升,這些都是限制現有電池更廣泛應用的方面

或許最重要的限制還是我們在理論物理和理論化學的研究中不夠深入

【弗雷劉的回答(8票)】:

就像跑100M,世界紀錄可能會一次次被打破,跑得越來越快,但是以現在的跑步方式,是不可能跑到1秒以內的。

【徐三的回答(4票)】:

1、容量的突破在於1、體積比能量密度2、重量比能量密度

2、普遍的直觀的認識是對只能手機電量的不滿。

3、對廠家而言,體積比重量重要,因為重量多幾克少幾克相對體積多1mm2mm來說重量肯定是其次考慮的。

4、鋰電池負極一般用石墨類碳材料,現在雖然玩出很多錫、硅花樣來,但主力還是碳材料。碳材料一個特點就是密度低,所以現在要提高容量,先得解決負極材料的問題,硅基復合是一個比較有希望的方向。

5、可是光解決了負極還不行啊,還得正極匹配啊,還得電解液匹配啊。

6、最關鍵的問題是:時光流逝非常快...略有改動就得測循環壽命,更別提更換主要的正負極電解液了,一測半年,再測又半年,評估再半年,樣品試小樣試中試大試,性能測試,安全性測試(這個最麻煩和謹慎,很多大廠不敢下決心,要擔責任啊,還不如就這樣用,大家都是這樣用嘛,蘋果也要帶個移動電源嘛)。

7、看看哪家廠被市場逼的異軍突起押寶押在新材料帶來的電池突破上吧,會有突破的,不會在明天,也不會在明年,總會來的。

所以,是時間限制了電池容量!

【躉大根的回答(0票)】:

是手機的大小吧。如果手機跟汽車那麼大,那手機也能吹空調了。

【周磊的回答(0票)】:

這是由於材料本身性質限定的.

所以,得找其他方面突破口.核能吧.

【吳昊wow的回答(0票)】:

電池的體積。

【劉航的回答(0票)】:

也就是說,如果提高電壓電池Li缺失嚴重,造成結構塌陷,循環時克容量急劇降低

【漠塵煙雨的回答(0票)】:

簡單點說就是能量密度。

【QinCindy的回答(0票)】:

1 能量密度&體積 2 電極 3 等已有回答,不贅述。

現今可使用材料太少,有近年新興科研方向是用density functional theory解薛定諤方程來設計新型材料,有進展,但是計算量極大,能建的模型要嚴格控制原子數目,大概以千計,還要為了減小計算量做大量近似,精確度只能通過對已有物質的計算加實驗測量來證實。不過相信隨著超計算機的發展該技術也會有新突破,但是如何在現實中生產原子嚴格按照設計排列組合是另一個問題。

總之難。

【杜小七的回答(0票)】:

我覺得除了材料密度外,最重要的就是兩個

體積和重量

同樣的鋰離子電池,當筆記本電腦的電池的電量輕鬆達到四位數的時候,手機電池還在三位數轉悠,偶爾有個四位數還是1開頭的

為什麼,上面說了,電量=密度*體積,筆記本電池可以輕鬆的做到比手機還大的體積,而當年手機,3寸屏幕已經算是大屏幕的了,厚度當年也只能那樣,因此體積就小了,同一種電池,體積小了自然電量也小了

還有重量,為什麼飛機主要是用燃油而不是電力——電池太重了,在加上鋰離子電池在飛機上不穩定容易著火

飛機起飛是有最大起飛重量的,同樣飛機降落也有最大降落重量,這兩項指標無論哪條超標都不能保障安全,而像鋰離子電池這種電池,要想電量大,不重是不可能的,燃油在必要時可以空中放油減輕重量,鋰離子電池呢,總不能直接扔下去吧

還有,飛機上的環境與地面上的有很大的不同,鋰離子電池就有著火的可能——前幾年787因為這個迫降N多次了

標籤:-化學 -電池 -材料科學 -手機電池 -AE-1


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