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。

　　上一部分歸納總結一下，為了讓鋰原子在每次充電時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構來約束（有序化，降低熵值）鋰原子的分布。這個設計在很大程度上稀釋了電池的能量密度。

　　陰極實際上也有同樣的問題，為了讓鋰離子在每次放電時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構來約束（有序化，降低熵值）鋰離子的分布。這個設計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結構變化的示意圖。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真。鋰離子要比另外兩個都小很多。

　　我們可以看到，MX2們在陰極基底上形成了幾層很規整（很有序）的結構，放電時，電子在陰極（正極）聚集，鋰離子向陰極移動，穿插進入MX2結構的空隙，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。

　　然而這張圖實際上包含了另一個大問題。

　　大家有沒有覺得兩邊的結構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，估計會知道，總有那么幾塊積木，看上去無關緊要，但只要一動。。。。就成下面這樣子了。

　　這個結構一旦坍塌，不可能自己回復的。

　　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構的完整。這個一定量，一般是50%。

　　這是為啥前面那個反應式會有一個 未知量 x。 即使是在充滿電的狀態下，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

　　我假設看到這里的人完全理解了可充放電池設計上的種種限制。為了有序的電子轉移，為了有序的鋰離子與鋰原子的分布，電池需要電解質以及各種輔助材料，需要在陰極陽極表面有規整的結構，而這些都是以能量密度為代價的。

　　現在回到我開頭的論點：

　　1）電池技術太弱了： 這些設計多么巧妙，明明是人類智慧之大成。

　　2）電池技術大有可為：對于未來的展望，我們必須有一個現實的態度。電池技術已經發展了百余年，早就過了爆發期；支持電池技術發展的理論科學為物理與化學，它們的理論大發展大突破都是在二戰前就已經結束了?？深A見未來的電池技術，必然是基于現在的電池的發展。

　　在民用領域，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，是因為科學家一直在找原子量更小的元素來充當氧化劑，還原劑，以及支持結構。于是我們見證了從鉛酸到鎳鎘，從鎳鎘到鎳氫，從鎳氫到現在的鋰離子的可充放電池發展歷程，但以后呢？

　　還原劑方面：我在開頭就說過了。電子轉移比例高的元素就那么幾個：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。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實是 鋰空氣電池（鋰 氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進展都不樂觀。為啥？

　　因為電池的表面結構才是大問題。

　　現在納米技術不是進展很大么？以后科學家們肯定能用各種納米線納米管納米球納米碗石墨烯設計出精細有序的表面結構的。那些實驗室們隔三差五的都會放出幾個大新聞啊。

　　這倒也沒錯，只是很可能會碰上隱藏boss。

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

　　不看就不看，反正我也不會告訴你隱藏boss是啥么的。這個超出我專業范疇了。不過有兩個問題，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。但到現在為止也就sony 推出過 錫電極的電池 （Sony nexelion 14430W1） 為什么會這樣？

　　2） 除了鈷酸鋰之外，目前的其它鋰電池陰極熱點材料 還有三元化合物Li（NiCoMn）O2 磷酸鐵鋰 （LiFePO3） 然而由于壓實密度原因，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？？