四：電池的大問題之三，陰極表面材料

　　今天白天知乎特別的安靜，基本沒啥新提醒。于是我明白，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(jié)一下，為了讓鋰原子在每次充電時(shí)能夠均勻有序地分布在陽極表面，陽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(gè)設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。

　　陰極實(shí)際上也有同樣的問題，為了讓鋰離子在每次放電時(shí)能夠均勻有序地分布在陰極表面，陰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(gè)設(shè)計(jì)在很大程度上稀釋了電池的能量密度。

　　但還不止。

　　我相信，能看到這里的人，一定有非凡的耐心，你們一定能明白這張圖的含義。

　　這是電池陰極材料充放電時(shí)結(jié)構(gòu)變化的示意圖。這里的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(dāng)真。鋰離子要比另外兩個(gè)都小很多。

　　我們可以看到，MX2們?cè)陉帢O基底上形成了幾層很規(guī)整（很有序）的結(jié)構(gòu)，放電時(shí)，電子在陰極（正極）聚集，鋰離子向陰極移動(dòng)，穿插進(jìn)入MX2結(jié)構(gòu)的空隙，從而有序的分布在陰極表面。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(shí)際上包含了另一個(gè)大問題。

　　大家有沒有覺得兩邊的結(jié)構(gòu)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游戲，估計(jì)會(huì)知道，總有那么幾塊積木，看上去無關(guān)緊要，但只要一動(dòng)。。。。就成下面這樣子了。

　　這個(gè)結(jié)構(gòu)一旦坍塌，不可能自己回復(fù)的。

　　怎么辦？適可而止，見好就收。套在電池陰極這方面來說的話，那就是陰極表面必須保持一定量的鋰離子來維持結(jié)構(gòu)的完整。這個(gè)一定量，一般是50%。

　　這是為啥前面那個(gè)反應(yīng)式會(huì)有一個(gè) 未知量 x。 即使是在充滿電的狀態(tài)下，還有近一半的鋰離子停留在陰極表面。于是能量密度更低了。

　　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(shè)看到這里的人完全理解了可充放電池設(shè)計(jì)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(jià)的。

　　現(xiàn)在回到我開頭的論點(diǎn)：

　　1）電池技術(shù)太弱了： 這些設(shè)計(jì)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(duì)于未來的展望，我們必須有一個(gè)現(xiàn)實(shí)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(xué)為物理與化學(xué)，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(yù)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(lǐng)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?yàn)榭茖W(xué)家一直在找原子量更小的元素來充當(dāng)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(gè)：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(shí)是 鋰空氣電池（鋰 氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進(jìn)展都不樂觀。為啥？

　　因?yàn)殡姵氐谋砻娼Y(jié)構(gòu)才是大問題。

　　現(xiàn)在納米技術(shù)不是進(jìn)展很大么？以后科學(xué)家們肯定能用各種納米線納米管納米球納米碗石墨烯設(shè)計(jì)出精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)的。那些實(shí)驗(yàn)室們隔三差五的都會(huì)放出幾個(gè)大新聞啊。

　　這倒也沒錯(cuò)，只是很可能會(huì)碰上隱藏boss。

　　啥？？都到這里了你搬出來什么隱藏boss？？搞笑?。。?！老子不看了?。?！

　　不看就不看，反正我也不會(huì)告訴你隱藏boss是啥么的。這個(gè)超出我專業(yè)范疇了。不過有兩個(gè)問題，如果還有人，不妨想一下。

　　1）石墨一直是鋰電池陽極材料的不二選擇，事實(shí)上如果只考慮能量密度的話，金屬錫更適合作為陽極材料。但到現(xiàn)在為止也就sony 推出過 錫電極的電池 （Sony nexelion 14430W1） 為什么會(huì)這樣？

　　2） 除了鈷酸鋰之外，目前的其它鋰電池陰極熱點(diǎn)材料 還有三元化合物L(fēng)i（NiCoMn）O2 磷酸鐵鋰 （LiFePO3） 然而由于壓實(shí)密度原因，采用這些材料的電池的容量并不如鈷酸鋰電池。為什么人們還要大力研究？？