百科｜电池技术为什么如此高深莫测？

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电池科学隶属于电化学和材料科学范畴，电化学和材料科学又很大程度上是属于实验科学，目前很多高校和企业都能做。事实上，电池的基本原理并不复杂，还是初中课本上的氧化还原反应。

虽然电池系统的原理简单，但是进一步的革命性突破却很难。我们现在用的电池和90年代比起来差不太多。可以说，前20多年，电池技术基本没有突破。那么，电池技术的发展为什么如此难以突破？如此高深莫测呢？让我们从以下三个方面来探讨：

 

一、新材料研发难

 

电池系统是一个复杂的多变量系统。拿锂离子电池来说，找到适合的氧化还原反应，只是万里长征走完了第一步，只说明能发生如此氧化还原反应的材料有可能作为电池正负极材料。但这种材料是否真正可行，受制于太多因素。

电池对材料的要求极其苛刻：

1.充电效率高

能量密度要高，能用最小的体积储存最多的电量；如今锂电池的能量密度已经顶到了天花板。它理论上的能量密度最高能达到600瓦时升，现在最先进的技术已经可以做到大约550瓦时升，但还是不够人们使用；

2.安全性高

电池的安全性当然是非常重要的一点，在使用过程中不能一言不合就爆炸，还要能在实验中淡定的面对科学家各种变态试验；

3.使用寿命长

它的循环使用寿命要长，不能充个几次电就报废了，有些电池开始使用充放电还不错，但是慢慢地效率就越来越差，最后只能达到开始时的一半甚至更低；

4.环保材料

新材料必须要是环保材料，因为电池是广泛应用于生活的方方面面，不能对环境产生污染；

5.成本低

如果电池成本太高，根本无法应用。除非用于军事、心脏起搏器及其他植入式医疗器械等领。最近有牛人开始用金子做正极，这种电池就算做出来，那也只有土豪才用的起。

二、无推导方法和数学模型

电池的发展依赖于电化学的研究进展。但在电化学领域，很多理论都非常不完善。到现在，电池行业还没有理论的推导方法和数学模型，只能依靠庞大的试验数据来寻找趋势。

试验面临如下几个问题：

1.实验无理论推导

学的理论往往不管用，必须要经过大量的实验来确定。经常拍拍脑袋想出一个看似可行的方案，但经过一番折腾后往往发现这个方案完全行不通。

2.实验的重现性差

实验中的细节非常多，不可能完全描述出来，数据准确性很难判断。因此通常情况下文献里的实验都很难重复做出来。

3.实验周期长

做出来一种电池后测得那些数据非常慢，比如电池循环曲线，一测就是半个月。半个月后发现不行又得重头再来，折腾几下时间就没了。

 

三、辅助手段改良遇瓶颈

在还没找到新材料之前，研发人员开始借助一些辅助手段来改良电池，有以下两方面：

（1）超级电容：让充电变得更快

超级电容如今在技术上算比较成熟，它是一种电源，性能介于传统电容器和电池之间，可以反复充放电几十万次。目前宁波、上海等城市已经开始使用超级电容的公交车了。

超级电容最大的优点是充电速度快，等一个红灯的时间就可以给公交车充满电，充电的速度令人吃惊。那为什么没有把它应用到智能手机和小汽车上呢？

1、超级电容的致命缺点是电池的体积大，比锂电池要大很多，无法应用到手机上；

2、超级电容虽然充电快，但放电也快，目前在小汽车上还无法应用。

 

（2）无线充电：让充电更方便

现在的无线充电主要运用电磁感应原理，手机和充电器上各有一个线圈，让充电器通电带电，再使用两个线圈的相互作用来传输电流。

但它并不方便，因为充电时必须将充电器插在插座上，再将手机对准位置放在充电器上，手机才可以开始充电。这并不会比普通的充电要简单。

总而言之，若要进一步提高电池性能，取得革命性突破，需要解决科学和工程领域内的一系列问题，涉及到材料学、无机化学、有机化学、物理、界面、表面、动力学、热力学、工程机械加工、电子电路技术等交织在一起的诸多问题。虽然电池技术最近十几年来都没有取得很大的进展，但在电池容量上，每年都会有5%～8%的进步。相信通过全球研究人员不断地试错和探索，今后十年，电池行业将会迎来新的发展机遇！

本文由全球电气资源原创，作者：李海燕