分析下锂电池，及其能量密度

近来在做四轴，感慨于电池的无奈。我所用的电池有两个，都是11.1V(3S)，2200mAh，170克，价格约100元。折合的能量密度是142Wh/Kg。倒是符合一般锂电池能量密度的范畴，即100~150Wh/Kg。

但是这么个电池，也就可以飞15~20分钟，很是无奈。为了可以寻求办法飞的更久一些，研究下电池的现状。

我之前经常忽悠别人的一个说法是，化学电池进化到锂(Li)就已经是极限了。因为一种元素能够携带的电荷密度越高，电池到达能量密度就越高。Li已经是所有固体元素中质量最小的了。

而Li的质子数是3，最稳定的两种同位素是6Li和7Li，最常见的7Li，其丰度为0.9241，我们下面就假设只分析7Li。但是因为最底层的电子轨道上的两个电子是稳定的，所以相当于7个质子/中子的重量能提供一个电子的电荷。

然后再算质子，其带的电荷是1.6*10^{-19}C，重量是1.6*10^{-27}Kg。并且假设电子不算重量，而中子的重量是跟质子一样的。

当然这还不是全部，毕竟要让锂电池放电，还需要构成电池，以常用的锂聚合物电池的反应：LiCoO2+6C，会放出一个电子的电荷。

其中用到的Co，常见的拥有27个质子，32个中子。O，常见的拥有8个质子，8个中子。C，常见的拥有6个质子，6个中子。

所有这些算一起，一共有82个质子，88个中子。一共相当于170个质子/中子的重量，才能提供1个电子的电荷。

如果按照这样来计算，锂聚合物电池能提供的极限电荷密度是588235C/Kg，假设锂聚合物电池的电压是3.6V，转换为能量密度则是588Wh/Kg。

所以现在来看化学家已经能把锂电池的效率做到24%，已经很不错了。当然，现实也很骨感，锂聚合物电池的极限也就是如此。

想要继续提高锂电池在化学方式上的能量密度，就需要改用其他化学反应，具体什么我不清楚，毕竟十多年没碰化学了，但是相信能玩的空间很有限。

物理方法存储能量呢，我倒是参考过一些方法，比如飞轮之类的。按我的看法，宏观的能量假如简单的分为动能和势能。比如电容存储的是电势能，而电感存储的是电动能。则势能的存储效率相对较高，而动能在存储过程中则很容易发生自身损耗。所以呢，任何用动能类的方式存储能量的，在我看来都不靠谱。

最近几年移动设备的流行，使得电池的重要性不断提高。各种据说是对电池的突破性研究也不断见诸报端。都是动则说是几十倍、上百倍的容量提高。不过按照如上分析，估计还是不太靠谱的。化学电池距离极限已经不远了，物理方面动能方法则在存储损耗上很扯淡。

至于超级电容(法拉电容)，大家也不要高兴，那玩意拥有很高的功率密度，功率密度，功率密度，功率密度，功率密度。我要重复5遍，以示警告。所谓功率密度，就是放电速度快。但是能量密度方面，距离锂电池还远着呢。最近的Intel青年科学家奖里那个跑龙套的女孩，也是利用其他科学家的成果，使得超级电容的能量密度提高到20Wh/Kg而已，而真正研究该技术的团队也只是将其能量密度提高到60~70Wh/Kg。

好吧，分析了半天，连对错都没谱。尽管以前化学学的不错，但是毕竟高中毕业后的11年来再也没有碰过化学，如果计算上有什么错误欢迎指正。结论呢，就是相对悲观，短期内不会有什么好用的电池了。

评论

1 楼 lych 2013-06-03  

LZ化学威武……虽然纯用方程式来计算看上去多少有点民科意味
印象里锂离子电池的反应还不只是个单纯过程，或许还有很多副反应？同样不是很清楚，不过如LZ所说，其效率已难有飞跃提高，这一点倒是不会改变，毕竟除了反应物本身，还有大量重量被外壳填料等必需成分占据。

至于动能储能，“很容易自身损耗”的观点仅仅来自常识印象，而不是基于科学原理分析，只从这点认定其不靠谱觉得还是不妥的。日常多见的动能部件之所以会快速损失能量是因为摩擦力无处不在，而专用的储能飞轮要旨就在于最大限度减少摩擦力。比如腔内抽成真空，轴承也是非接触式的，这种条件下，几乎无损的长期保持动能并不是天方夜谭。当然这并不是说飞轮储能一定“靠谱”，而是说即使不靠谱，原因也不在于损耗这点。个人认为最难解决的问题可能是超高速转子导致的陀螺效应，导致难以用于移动设备。另外高速的极端条件下对材料有什么极端要求，和相应导致的成本，可能也是一方面。