知乎日報：電池技術為什麼如此高深莫測

　　電池科學隸屬於材料科學和電化學範疇，在很多人看來，與信息科學相比不是那麼高大上，事實上，他確實不高大上。材料科學和電化學很大程度上是實驗科學，很多研究高校能做的，企業也能做，甚至，氛圍和訴求不同，做得比高校更好。

　　舉個例子，我們廠做磷酸鐵鋰的，剛進廠時，電池研發中心主任第一次訓話：我們的材料配方，是 3 萬多次試驗試出來的!搞了多年自控的我心想，這神馬玩意啊還值得吹噓，難道沒有數學建模麼?最優配方不應該是推導的麼?

　　現在，我也和剛進廠的小夥子們説：我們廠的配方，是老主任實驗了 3 萬多次試出來的!

　　方向是有的，我們知道要擁有什麼性能，需要增加何種配比，但是怎麼才是最優，只能去試。

　　再舉個例子，前兩天我省開新能源戰略研討會，會上清華張教授做了個彙報。可能大家會覺得清華的教授做的彙報肯定高大上了吧。非也，他的議題，只是簡簡單單的“如何確定方形電池長寬比以及極耳的長寬比”。如何確定?還是試驗，雖然不同尺寸的熱功是能算的，但確定不同配方電池所需的外包裝尺寸，仍然要靠不斷的試驗，最終以龐大的試驗數據支撐來得出結論。而更可惜的是，這個結論是，依然沒有數學模型，並且幾個參數的影響是相悖的，後續的工作，仍然需要不斷試驗，最終找到一個每種容量的電池，以何種結構，才能獲得温升和温升差的平衡，並且，永遠沒有辦法得到最優温升或温升差。

　　這個行業還一個問題，到現在，鋰電池還沒有理論壽命的推導方法。同樣的，沒找到數學模型，只能依靠龐大的試驗數據去尋找趨勢。但是由於需要的時間太多，這種材料剛有點眉目，好嘛新材料又來了。所以到現在我們都弄不清楚怎麼去科學的檢測加速老化。

　　有個笑話，前兩天和中科院某教授吃飯，我説，合作個項目，研究加速老化和壽命預測吧，對方説，呃，這個…那個…我們還是研究給我們廠的產品增加循環壽命吧，至少 30%，擲地有聲。我心想，壽命預測都沒有，增加壽命隨便你吹吧。

　　另外，這個行業的桎梏，還有一個悲劇。相比關心這個行業的都聽説復旦搞的水鋰，可是很明顯，業內都不太待見。原因很簡單，第一，前段時間的新聞有些捧殺這個新材料了，吹得過頭讓很多人覺得不接地氣;第二，全新材料的面世，對傳統是一個顛覆。很多高校也好企業也好，都變成無用功了。當然，這個在其他行業也都存在。

　　綜上所述，似乎又文不對題。但是我想説的是，這個行業的研究完全是依靠很多人力不斷嘗試才能出成果，所需要的時間是巨大的，而見效往往只見於細微。鉛酸電池迄今為止已有 120 年，而鋰電之父 Goodenough 老先生從發明到現在，也不過 10 多年，能發展到現在這個水平，已經得益於先進設備、先進儀器的幫助。而且，製造業從實驗室到產線，也是一個漫長的過程，甚至可以説，產線上細微的調整和試驗(那個調整電池尺寸的試驗即是，產線上開模，我都不敢報費用啊)，所花精力和成本又遠高於實驗室。

哥淡定，鋰電檻內人

　　1，電池技術本身並不怎麼高深莫測。基本原理還是當年伏打電池，也就是氧化還原反應。翻開高中化學書把電化學章節複習一遍，你就基本可以覆蓋 80% 以上的電池原理。高中化學書上介紹的 Zn Cu 原電池用的是氫離子，原理和現在鋰離子電池一樣，只是把正負極材料、電解液換換，氫離子再換成鋰離子罷了。

　　2，但是，原理簡單不等於性能可以很容易地提高。電池系統是一個複雜的多變量系統。拿鋰離子電池來説，找到適合的氧化還原反應，只是萬里長征走完了第一步，只説明能發生如此氧化還原反應的材料有可能作為電池正負極材料，讓鋰離子在正負極間來回穿梭，從而實現充放電的目的。但這是否真正可行，卻受制於太多因素。

　　發生副反應不行，效率太差不行，穩定性不好也不行，因為這樣沒幾圈電池裏的鋰都被無謂地消耗了，性能不會好。

　　循環穩定性不好也不行，有些電池開始 100 圈充放電還不錯，但是慢慢地效率就越來越差，最後只能達到開始時的一半甚至更低。

　　安全性不好絕對不行，不用解釋。

　　材料成本太高不行，衍生出工藝太複雜也不行，什麼納米藝術啥的甭看你文章發多高，玩出什麼花來，只要用成本一砍, 只要一刀就死了。成本低，性能過得去，九死一生;成本高，十死無生(除非是用到心臟起搏器等不計成本的醫療器械中)。

　　充放電速率問題，由於鋰離子在電池中的擴散是一個動力學上的受制過程(也就是慢過程 —— 請複習物理化學相關內容)。所以原理上講不可能通過增大電流來提高充放電速率(這是現在很多號稱能快速充放電電池的手段)。加大電流，電池外做功迴路(電子)電流密度增大，但電池內部鋰離子的擴散由於比較慢，根本跟不上這個節奏，所以必然要犧牲性能。一分鐘充電的電池當然可以做出來，但是性能可能只有 3 小時充電容量的 1/4。而且還沒有考慮大電流帶來的安全隱患(會起火爆炸)。

　　可能有人會問，為什麼鋰離子擴散速率這麼慢，因為鋰離子在電池內的擴散不像電子在金屬導體中運動那麼簡單飄逸，導帶和價帶重疊，自由電子運動那叫一個酸爽。但鋰離子從負極到正極的運動(放電過程)是先從負極(固體)費勁吧唧地脱出，進入粘糊糊的液體(有機電解液)或有機高分子或其他固態電解質，鋰離子游完泳上岸再進入固體 -- 正極材料。這種固 -- 液 -- 固的反應你可以想象有多慢，這還不算要穿過隔膜(絕緣高分子，避免電池內正負極接觸造成短路)，兩次穿過固液界面，任何微小的表面副反應都會雪上加霜。

　　因此電池這個系統原理簡單，但是進一步提高性能，取得革命性突破非常困難。需要解決科學和工程的一系列問題，涉及到化學、物理、表面、界面、結構、熱力學、動力學等交織在一起的諸多問題。電池系統根本不能用摩爾定律，我們現在用的電池和 1990 年代的差得並不太多。你打開 iPhone， iPad 一看就明白了，所有主板電路越來越小，電池佔了一大半。蘋果最新的超薄 MacBook 大家都看到了，那薄薄的殼下面就是幾層電池。這種尷尬估計還要持續很多年。

　　無論是移動電子產品、電動汽車乃至大規模儲能，大家對未來電池的要求都差不多 -- 能量密度高，性能穩定，安全可靠，壽命長，充電速度快，而且要便宜，環保……某種新材料或能滿足其中若干項，但滿足所有要求確實難度極高。做理論模擬的已經把元素週期表和晶體數據庫翻了不知道多少遍了，能合成出來的加上根本合成不出來(不穩定)的潛在目標現在看起來依然有這樣那樣的問題，而且用上述諸多要求一卡，發現甚至遠不如目前市場上的流行材料。相對於負極材料來説，正極材料更是瓶頸中的瓶頸。有忽悠者經常忽悠一些新概念，比如鋰空氣，鎂電池，鋁電池，這些要麼純扯淡(鋰空)，要麼需要從頭開始開創一個全新體系(如鎂電池)，難度異常大。電池研究是材料學中的硬科學，需要最起碼對無機化學，晶體學，電化學，物理表徵分析如 XRD，XPS，磁性，中子衍射，紅外熱重拉曼核磁，乃至同步輻射相關的 X-ray 吸收譜，甚至 DFT 計算都要有所瞭解或精通若干。需要有從最基本的化學合成到最終電池器件的組裝之動手能力。這些要求一個人幾乎不可能達到，需要團隊的努力和合作。如此大投入還需要找到一個明智有前途的方向，否則就白搞了。比如 IBM 團隊花了好幾年時間研究鋰空，最後發現悲劇了，結果項目被砍掉。

　　另外，一個回答中舉的兩個例子都不靠譜。Envia 是最著名的忽悠公司，忽悠了 Steven Chu 還有奧巴馬，不斷號稱有 breakthrough，細細一看均扯。南洋理工的那位還有石墨烯，也基本是扯。石墨烯現在啥都能用，標準狗皮膏藥，別的我不説，起碼用作電池負極是扯淡。納米技術就更搞了，除非你嚴格測出體積能量密度，可以和市面材料一比，否則以納米材料如此低的振實密度，我們的電池是不是要做的想集裝箱一樣大?