智能手机时代，另外一个产业火爆了起来：移动电源。因为手机本身的电池不够用，随便玩半天就没电的手机现在到处都是。说白了，就是实际上能满足待机需求的手机，重量应该是你的手机加上你的移动电源。没人想带着砖头一样的产品，但是理想的电池在哪里呢?

　　所有的电池，其实都是电化学反应。在初高中的化学课本里，我们使用的是铜棒和锌棒放入盛有稀硫酸的烧杯里面，这时候如果用电线接通铜棒和锌棒，里面就有电流通过，可以用万用表来测量这个比较微弱的电流。



　　上面所说的就是原电池。今天的所有电池，在本质上，依旧离不开阴极阳极以及氧化还原反应。上面图片里面的原电池，就是锌失去两个电子而铜得到两个电子。

　　可能有一些宣传会这样说：某某科学家发明了新电池技术，XX秒就可以充满电！这种几秒就能充满的，是电容不是电池！电容和电池的区别在于，电池是用化学反应来储存、释放电，而电容则是电势差；并且电容的单位是法拉第，我们常见的电池、充电器一般用安培时间来标注容量。电容的特点是可以很快速的充电，但它和电池是两码事。超级电容目前只在公共汽车等环境可以使用，充电电流高达200安培(iPad是2安培左右)，但是充电后的续航只有几公里。超级电容只是研究的一个方向，距离替代今天的充电电池还需要走很长的路。

　　对于现在的人们来说，智能手机待机短，成了所有人的心病，而解决办法竟然是要去解决处理器的功耗……而不是提升电池，那么电池到底瓶颈在哪里呢?

　　先了解能量密度

　　能量密度是个非常有趣的概念。它有两个不同的表现形式。因为不同的电池，使用的材料不同，自然物理密度也就不一样，所以有瓦时/公斤与瓦时/升两种不同的表现形式。对于普通的手机来说，肯定更关注后面的参数，因为手机内部空间有限。

　　但是应用到电动车上又是另一种情况。电动车的空间相对宽裕，但是如果电池原材料密度过大，显然会让很多功做在了运输电池自身上。而对于要飞起来的无人机等，重量的意义就更为明显。

　　对于能源，我们最熟悉的就是汽油。汽油如果完全燃烧，它的能量密度是多少呢？据估算大约是12000瓦时/千克，这是个非常大的数字。但由于汽油机做功效率比较低，所以我们的油耗一直不算太低。

　　锂电池的能量密度又是多少呢？常用的锂离子电池，大约范围在150-250瓦时/千克，锂聚合物的密度大，可以达到300瓦时/升，对比汽油，完全不在一个数量等级上，差了百十倍。随着工艺和材料的改良，我们常用的锂电池密度也是在逐步提升的，甚至对比十几年前的初代产品(锂电池是1991年由索尼开始量产)已经翻了几倍。但是对于今天的智能手机用户来说，他们希望的是十倍的提升，也就是充电一次，可以用一周左右。

　　电极的材料

　　我们生活周边的各种电池很多，而且有着不同的用途。比如汽车用来启动，很多都采用铅酸蓄电池，它的特点是启动的时候电流大，这对于内阻大的电池来说就是噩梦，因此现在的车用蓄电池的内阻比较小。

　　针对不同的应用场景，要寻找不同的电池材料。它的输出电压、电流、内阻、可循环次数等，都是要考量的指标。以手机、平板等设备为例，我们使用的电池，要能承受数百次、上千次的充电循环，现在普遍采用的锂离子(钴酸锂)、锂聚合物电池都适合做手机或是移动电源的充电设备，并且它们的输出电压3.6V，也有利于直接驱动IC。

　　而我们常见的镍氢电池，比如松下(三洋)著名的爱乐普，充满电放一年依旧有80%以上的电量，并且可以循环多次。但为何手机上不用镍氢电池呢？这是因为镍氢电池的电压只有1.2V，所以如果要达到3.6V，就要三块串联……显然要比现在的锂电池需要更多的空间。

　　电池放电，要求材料具有高储能密度，并且在多次循环充放电这个过程中，依旧保持很高的容量，并且最好有利于工业化生产，这样的材料存在吗?

　　燃料电池：已然在路上

　　丰田今年正式发布了氢燃料电池汽车Mirai。与特斯拉一样，丰田公开了汽车用氢燃料电池的专利，其它车厂可以免费用，此举旨在扩大氢燃料电池的市场。

　　在技术原理上，氢是消耗品，作为燃料电池的反应动力来源。丰田的Mirai带有个超高压氢气瓶，可以携带5公斤氢，续航能力能达到600多公里，平均每公斤氢的续航为100公里以上。之前宝马也有氢燃料汽车H7，同样背着氢气瓶，不过宝马的方案里面有发动机，氢气是燃烧气体做功，与传统的汽油机类似；丰田则不一样，氢是参与燃料电池反应发电，电池提供113千瓦的电力给电动机驱动汽车前进。当然，作为清洁能源，氢的反应结束之后，只有水一种产物，不污染环境。

　　氢燃料电池当然好，但这只适合车用，手机用户肯定不可能带着硕大的燃料电池以及高压氢气瓶……而很多其它材料的燃料电池很难回避的问题还是材料：依赖铂这种贵金属，并且对空气要求高。一来昂贵，二来也不现实，前几年，北京弄了两辆材料里面有铂的氢燃料电池公交车，在郊区行驶两年试验，其中有一台一年就烧了六次动力单元，只因为北京空气中硫、氮化合物含量太高……

　　IBM：Battery 500伟大计划

　　2009年，IBM设立了一个电动汽车动力相关的计划：Battery 500，顾名思义，就是想通过研发，获得让汽车一次充电续航超过500英里(800多公里)的能力。

　　IBM的研究重心是：锂-空气电池，这也是现阶段汽车动力的重点方向。不仅仅IBM，全世界都在研究锂空气电池。这种电池的原理不复杂，就是活泼金属锂和空气中的氧气反应放电。但是这个过程中，不是生成固体的氧化锂，而是通过溶液，生成液态的氢氧化锂。在反应的过程中，空气中的氧气相当于无限提供，而锂则作为消耗品。

　　锂空气电池的理想状态是：增加续航，不用充电，只要更换反应用的溶液和金属锂即可，溶液里面的氢氧化锂可以很容易的电解还原再得到金属锂循环利用，相当于电厂充电，汽车端只需换锂和电解液做电极就行，可以超高速的实现续航。

　　另外一个关键是，锂空气电池的能量密度极高，对于今天的电池，是指数级别的提升。也就是说，如果研发成功，续航的噩梦就不复存在，因为空气中氧气的供给是无限的，所以理论上锂空气电池容量可以无限大……但是，锂空气电池的现实是“骨感”的：实际的产品容量不高，并且现有方案的化学反应研究也不够透彻，所以还需要很多年才能真正的产业化。目前除了IBM，包括日本旭硝子之类的高技术企业也都加入了这个计划。

　　锂空气电池，也难以小型化，目前看只能是汽车用，手机用不了，并且能上路的车，起码要等到2020年。

　　手机的希望：锂硫电池?

　　说一千道一万，现在有希望应用在手机上的高能电池是什么？因为前面说的电池，基本都是作为动力电池，应用在汽车上面多，很难小型化。而我们常用的手机电池基本都是钴酸锂电池。因为钴酸锂电池的优点很多，比如相对安全、耐循充放电循环、工作温度范围广等。

　　问题是，从1991年索尼开始量产到今天，钴酸锂电池的密度提升有限，也就是扛不住现在的手机对电池的消耗。我们需要现有体积不变、且容量更大的电池来支持智能设备的续航。而且，钴酸锂电池的主要原料——钴，本身并不算地球上富集的元素，价格也在逐年上涨。

　　目前基于锂金属的电池材料方案当中，研究的比较多的是锂硫电池。硫和氧是同族元素，所以锂硫电池的反应，有点类似锂空气电池，但是最大的不同在于硫是固体。理论上讲，锂硫反应的能量密度非常高，有望把现有钴酸锂电池的能量密度提升一个数量级，达到接近2000瓦时/公斤，电压1.5V-2V。

　　锂硫电池的反应很简单，就是2个锂离子与1个硫离子结合形成Li2S，锂失去两个电子。但是问题同样非常多。除了锂和硫本身活泼的属性之外，最大的问题是硫和硫化锂的密度差距很大，这样导致在反应的过程中会有膨胀……并且硫本身导电性很弱，也不利于充分利用反应物，现在的办法是用炭做载体。关于锂硫电池的研发投入非常大，但是至今仍没有工业化的希望。因为反应复杂，很多实验室得到的结果，甚至连重复实验都很难做到。

　　当然，除了上面说的几个热门电池，还有其它前沿研究，但是研究的深度还不如上述的电池。这种研究十几年却得不到结果的状况，在电子设备上不多，但是在电池方面却已经持续了很多年。

　　作为普通消费者，恐怕依旧要继续忍受我们目前不给力的电池，并且不知道什么时候会有突破，或许十年、二十年，而这种材料科技，正是一个国家科学研究能力的体现。






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