究竟是什么限制了电池的容量?

2014年05月05日 09:50 来源:知乎 作者:陈远威 我要评论(0)

标签:电池(144)电荷(24)电极(30)

  之前在知乎上面看到一个问题——“究竟是什么限制了电池的容量?”我们看到了化学博士陈远威的一篇回答,特摘录如下,以飨读者:

  对于这个问题,我们可以这么看:电池的容量=能量密度X电池体积。电池体积自然想怎么做就怎么做了,能量密度是关键。

  于是这个问题可以理解为:当前电池的能量密度为何难以提高?

  一句话的简单回答是:电池背后的化学限制了电池的能量密度。

  

  上图从wiki中转载的各种能量载体的能量密度。

  我们的手机,平板,笔记本,手表,以及赫赫有名的Tesla使用的电池,都是最左下角的锂离子电池。(我怕大家找不到剧透一下)

  然后请寻找汽油,柴油,丁烷,丙烷,天然气的位置。

  估计找到之后一般人会有以下想法:

  1)电池技术太弱了

  2)电池技术大有可为

  个别化学好一些的人想法会多一些

  3)燃料电池技术将是明日之星。

  我的想法:以上都是幻觉,幻觉。

  一:电池与燃料背后的简单化学

  先做一点知识性的回顾(或者普及)。

  我们生活中所见到的绝大部分燃料与电池,这类能量载体,涉及到化学主要是氧化还原反应。能量载体们涉及到的具体化学过程千变万化,但总能归纳到一个氧化还原反应。

  氧化还原

  

  氧化还原反应的实质是电子从还原剂到氧化剂的转移。大家有没觉得跟电池很像??电池的负极为还原剂,正极为氧化剂(不是特别准确)。电子从负极经过外部电路流至正极,然后顺便做点功:点亮灯泡,驱动车辆,支撑手机与电脑。

  既然电子是能量的来源,那么我们就可以通过电子的密度来估计能量密度了。这里我们先假设电子能做的功都是一致的(这个显然不对,实际上取决于氧化剂与还原剂的种类。但如果仔细考察,对于常见的电池与燃料,这点不是主要因素)。

  能量载体的电子密度,在按体积计算情况下,主要取决于两个因素;按照重量计算,就一个。

  1. 按体积计算:能量载体的物质密度。固体》液体》》》》》气体。这点很好理解。

  2. 能量载体的电子转移比例。如果化学忘光了,这点很不好理解;如果还有些印象,这点也很好理解。原子的内层电子基本不参与化学反应,自然也不会转移,只有外层那几个才会转移做功。电子转移比例是指参与反应的电子数与分子总电子数的比例。通常而言,还原剂的外层电子数不会太多,但内层电子数可是随着原子数增大而增大的。更要紧的是,原子数增加后质子与中子都在增加,而这两者都是质量的主要来源。

  举几个例子:

  1)H2-2e=2H+ 氢原子只有一个电子,全参与反应了, 电子转移比是100%

  2)Li-e=Li+ 锂原子有三个电子,只有一个参与反应,电子转移比是1/3=33%

  3)Zn-2e=Zn(2+) 锌原子有三十个电子,只有两个参与反应,电子转移比是2/30=6.7%

  对于大多数物质,电子转移比例都很低,原因前面提到过。由此可见只有在元素周期表的前两行的轻原子有可能成为好的能量载体。前两行元素只有10个,氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖。其中氦 与氖 都是惰性气体,排除。氧与氟都是氧化剂,排除。氮大多数情况下都是准惰性气体,如果不是惰性气体要么毒死人要么熏死人,排除。我们还剩下5个元素,氢(100%),碳(66%),硼(60%),铍(50%),锂(33%)。

  再进一步说,如果我们把一个原子当成电池的负极。那么这个半电池的能量密度(质量单位)可以用电子转移数与原子量来估算。如此以来,上面的比例将更为悬殊。还以氢作为基准:

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

  大家很容易发现,最适合担任能量载体的两种元素分别是碳和氢,碳氢化合物,实际上就是我们生活中常见的汽油柴油煤油天然气等燃料。汽车选择这些高能量载体作为能量来源,已经是自然中的较优解了。电池跟各种碳氢化合物相比,可以说是天生不足。

  二:电池的大问题之一,摆不掉的电解液

  根据上面的解释,我们可以知道,电池很难在能量密度上超过燃料,不过似乎也能达到燃料的一半到1/4的水平。然而现实中电池的能量密度往往只有燃料的1%不到。不信请看数据。

  能量密度比较:

  汽油:46.4MJ/Kg 锂 43.1MJ/Kg 锂电池(不能充电)1.8MJ/Kg 锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg

  其实汽油与锂的能量密度还真没多大。主要原因是碳到氧的电子转移做功其实不够大(共价键 键能差别)但从锂到锂电池。。。。再到锂离子电池,这中间究竟发生了什么??

  原因很明显。锂或者锂离子电池里面不光是金属锂,还有别的水货。

  我查到了这么一个估算电池里面锂含量的公式。http://www.ponytest.com/document/battery.pdf‎

  m=0.3*Ah.用人话说,把电池容量(安时)乘以30%就能算出电池中的锂含量(克)

  对于赫赫有名的18650(手机笔记本特斯拉)电池来说,其重量在42g左右,标称容量在2200mAh左右,于是其锂含量为2200/1000*0.3=0.66g大概是总重量的1.5%。

  原来如此啊!如此以来我们只要提升电池中的锂含量就能提高能量密度了!!

  真要这么简单就好了。我们先来看看锂电池除了锂还有啥。

  

  别走啊!!图看不懂可以听我归纳嘛。一般而言电池的四个部件非常关键:正极(放电为阴极),负极(放电为阳极),电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,重要地位可以理解。但是电解质有啥么用处??不做功还很占重量。接着看图。

  

  回来回来,看不懂图就听我讲,没点耐性上啥么知乎?直接去天涯网易好了。

  上图非常好地显示了电池充放电时的过程。这里先只说放电:电池内部,金属锂在负极失去电子被氧化,成为锂离子,通过电解质向正极转移;正极材料得到电子被还原,被正极过来的锂离子中和。电解质的理想作用,是运送且仅运送锂离子。电池外部,电子从负极通过外界电路转移到正极,中间进行做功。理想情况下,电解质应该是好的锂离子的载体,但绝不能是好的电子载体。因此在没有外界电路时,电子无法在电池内部从负极转移到正极;只有存在外界电路时,电子转移才能进行。

  真晕,你不是说“能量载体们涉及到的具体化学过程千变万化,但总能归纳到一个氧化还原反应” “氧化还原反应的实质是电子从还原剂到氧化剂的转移”,汽油车没有电解质吧?但是汽油燃烧也有电子转移吧,咋么就不能发电呢?

  是的,燃烧必然涉及电子转移,那么燃烧的电子转移与电池的电子转移根本区别在哪里??

  是否有序。

  燃烧的电子转移在微观范畴上完全无序也不可控。我们完全没法预测燃料与氧气分子会往哪个方向运动,下一时刻的速率如何,我们也不知道燃料上的电子会向那个方向转移到哪个氧气分子上。10^20-23次方的分子的随机运动与更多的电子的随机转移导致的结果是无序的能量释放,或者简单点说,放热。

  电池相比而言就好办点。尽管我们依旧不知道电池里面的每一个分子的运动轨迹,但我们至少可以知道:金属锂只会在负极材料表面失去电子成为锂离子;锂离子会从负极出发,最终到达正极。电子只会从负极材料表面出发,向着高电势的正极运动。10^20-23次方的电子的协同运动,在宏观上我们称之为,电流。

  总结一下吧。为了放电,为了有序的电子转移,电池们不得不携带没有能量但是必不可少的电解质以及各种辅助材料,于是进一步降低了自身的能量密度。

  这就完了么?没有。

  老实说这一部分只是个铺垫,让有兴趣有耐心的人练练级,最终boss还没出现呢。

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