Re: [討論] 電車真的比較環保嗎？

很久以前筆記過的文章，剛好可以回答這個問題所以貼上來給大家看一看。

對於汽車來說，50公斤汽油大約可以提供700公里的續航。而同樣尺寸和重量的純電動汽車，大約500公斤的電池可以提供400公里續航。這麼算下來，單位能量物質提供的續航里程，汽油是電池的17.5倍。而且，這裡還包含了發動機的效率，如果只對比每公斤汽油燃燒的能量和每公斤電池提供的能量，它們相差40-50倍。

電池中蘊含的能量竟然只有同等重量汽油的1/50。這樣大的差距是怎麼來的呢？把電池的能量密度提高1-2倍，難道就那麼費勁嗎？我們手機的性能、電腦的CPU、網速，不都是幾年提升幾倍嗎？為什麼電池不行呢？

今天，我就從電池結構上詳細說說這是為什麼。

電池負極的選材面很窄

首先，我們考慮電池負極的選材，也就是提供電子的那一極。

不論用什麼材料做電池，有一條原則永遠不變——電池在工作的時候，電子從負極流出來
，經過外部線路流到正極。流經外部線路時，就是電池輸出能量的時候，比如經過電動機讓新能源汽車跑起來。

在體積不變的情況下，要想讓電池裡蘊含的能量更多，電池負極的那種物質最好分子比較小、比較輕，而且一個分子能釋放出的電子還特別多。這才是能量密度高的電池。我們舉幾個例子，比如：

氫氣的氫分子其實就很滿足剛剛我說的條件。如果它能成為負極，1個氫原子總共只有1個電子，電池工作時，這個電子就從負極流到正極。所以，氫相當於100%的電子都參與了轉移。

如果是鋰呢？鋰原子裡有3個電子，內層2個，外層1個。化學反應時幾乎只有外層電子產生變化，內層2個用不上。於是，鋰做成電池後，3個電子中只有最外層的1個參與工作，也就是只有33%的電子參與其中。你發現沒有，這時候參與度就下降了。

而鋰其實已經算是非常好的了。我們再來看看鋅，就是金屬鋅。鋅是30號元素，自然一共有30個電子，但最外層只有2個電子。於是，30個電子中只有2個參與轉移，參與度已經降到了6.7%。

電子轉移的參與度低意味著什麼呢？意味著還有大量電子沒有參與。咱們都知道，一個電子直接對應原子核內的一個質子，而一個質子就是實實在在的一份重量。於是，電動汽車裡的電池最好不要用鋅，否則電池一定很沉。

你看，用什麼物質做高能量密度電池的負極，其實選擇面是很窄的。

首先，要求它容易釋放出電子。這個要求不高，活躍的物質都可以，尤其是金屬，比如鉀鈣鈉鎂鋁什麼的都可以。

其次，這個物質的原子中包含的電子最好儘量大比例的參與到傳輸電流的過程中。這個條件一下就篩去了一大批，也就只有元素週期表排前10的還可以考慮。否則就會像鋅那樣，電子轉移參與度的上限只有可憐的6.7%。

排名前10的元素，下面我們挨個看看——

首先排除氦和氖這兩個元素。它們在實際中是惰性氣體，跟誰也不反應，別想拿它們做電池。

氧和氟也不行。因為它們不提供電子，而是專門從別人那裡拿走電子的，所以不能作為負極。

氮元素也不行。因為大多數情況下它都很穩定，跟誰都不反應。

這麼排除之後，最後就只剩下5個候選了——氫、碳、硼、鈹、鋰。

氫排第一，因為電子參與轉移的比例高達100%；碳排第二，比例高達66%。如果用第一名和第二名，也就是氫和碳來做能量來源，當然是最好的。而實際上，汽油、柴油就是典型的碳氫化合物，也就是第一名和第二名的組合。現在你知道，為什麼汽油的能量密度那麼高，是普通電池的好幾十倍了吧？

電池中的鋰很難增加

即便我們做不出汽油那麼高能量密度的電池，做個差一些的、能量密度是汽油幾分之一的總可以吧？像鋰元素，電子參與轉移的比例是33%，也沒比100%和66%低太多嘛。但實際情況是，鋰電池的能量密度連汽油的2%都不到。

這是為什麼呢？

只要分解一個18650電池就能知道了。這是一種標準型號的鋰電池，18650代表它的型號。特斯拉電動汽車裡用了七八千節這種電池，每節3400mAH，重46克。但在這46克裡，鋰元素大約只有1.0克。也就是說，實際參與給出電子的最核心的物質鋰只占電池質量的2%，另外98%的質量都是為了讓電池正常充放電而必須加入的。所以，本來鋰能貢獻的電子是汽油的1/3-1/2，可一旦做成電池，就連汽油的2%都不到了。

於是，想要提高電池的容量，最明顯的措施就是讓電池的質量中鋰的占比多一些。但能不能隨意增加鋰在電池中的占比呢？答案是，不能。

這就涉及到電池內部的情況了。在電池放電的過程中，負極的電子通過導線跑到電池外面做功去了，而負極的鋰就變成了失去電子的鋰離子，鋰離子在電池內部的電解液裡往正極漂，然後被正極接住。這就是放電。

這裡有一個重點：電解液得是一種非常合適的液體才行，它得能讓鋰離子漂過來漂過去，但同時又不能讓電子在電池內部漂來漂去。因為如果電子在電池裡漂起來，就相當於電池內部漏電了，充滿的電池過不了多久就會沒電，而且還會發熱。如果漂得太厲害，就相當於內部短路了，電池會燒毀的。而找到這樣合適的液體，是很不容易的。在一個電池裡，電解液大約占質量的15%。

而正、負極是不能直接接觸的，它們之間還要有一層絕緣層，這要占20%的質量。

即使不說電解液、絕緣層這些結構，只看正負極，電池裡的鋰就很難增加。

電池充電的時候，鋰離子會在充電的電場作用下往反方向漂，漂回負極附近。在這個過程中，鋰離子得到電子後又會重新變成鋰原子。鋰原子是什麼呢？就是鋰金屬。如果我們在充電時，任憑鋰離子漂過來變成鋰金屬的話，就會出現一個問題：

第一個鋰離子在非常靠近負極的位置變成了金屬，是金屬就會導電，於是這個鋰和負極接觸在一起成了負極的一部分；接著，第二個鋰離子也在同樣的機制下成為負極的一部分……於是，負極的鋰就像排隊買票一樣，按順序形成一條長長的隊伍。這支隊伍可以很長，比如幾百億個鋰原子組成的長隊，在宏觀上看就是一根從負極開始生長的細細的尖刺，直戳正極。鋰是金屬，是導電的，於是正負極就被接通了，電池內部短路、冒煙兒，電池宣告報廢。

下面是鋰電池正負極的示意圖。右邊那幾個小圖就是使用次數多了以後，鋰原子排成了大長隊，最後刺穿絕緣層，和正極短路後的樣子。

所以，雖然鋰電池的負極在充電時負責迎接漂過來的鋰離子，但也要把它們迎接到正確的位置才行。在負極，需要給漂過來的鋰離子建造一棟“酒店”，每漂過來一個就進一個單
間，不能屁股頂著腦袋那樣排成長隊，那樣電池就短路了。如果都讓它們進到單間裡，電池就可以反復充電。

但這帶來的犧牲就是，負極並不能滿滿的全裝上鋰，而是要把大部分空間留出來造鋰離子的“酒店”用。建造“酒店”的材料就是石墨，石墨是層狀結構的，每層的間距很適合容
納一個鋰。

電池僅有的鋰沒有完全利用

而且，即使是電池裡僅有的那麼一點兒鋰，也還是沒有利用充分，只有一部分參加了充放電。

和負極一樣，在電池的正極，鋰離子也不能頭頂屁股那樣排成大長隊，也要按順序住進“酒店”。不過，這個“酒店”就不是石墨材料做成的了，而是由鋰的金屬氧化物搭建的層
狀結構。我們平時說的鈷酸鋰、鈦酸鋰，或者寧德時代出的NCM811、532、622等電池，指的就是這部分材料。你可以把這個層狀結構理解成另一棟“酒店”，搭建這個“酒店”本
身就需要耗費一些鋰。

除了這些氧化物的鋰之外，還需要一些可以在正負極間遊蕩、參與導電的鋰離子夾在其中，“酒店”才能穩定，否則“酒店”就房倒屋塌了。

於是，一節18650電池中只有1克的鋰元素，而這1克的鋰元素還不是都參與充放電。它們一部分是氧化物的形態，也就是充當正極的材料，用來建造正極的“酒店”；還有一部分
即便是鋰離子的狀態，本來可以參與導電，但也不能和其他鋰離子在一起，它們在充放電的時候必須留50%左右長期住在“酒店”裡，保持“酒店”的穩定。也就是說，就算電池
充滿了電，也還有一半左右的鋰離子在正極的“酒店”中住著，沒有漂到負極去。

所以，最關鍵的發揮能量轉移作用的這1克的鋰，大約只有0.5-0.7克實際參與了電能的傳輸。而為了保障鋰離子正確的在正負極間運動，不得不配上其他的附加材料和結構，大家加在一起要46克。這就是電池能量密度比汽油燃料低那麼多的根本原因。

無序與有序

當今，鋰電池發展的瓶頸都集中在正極上。

當前技術中，負極提供的那個“酒店”還有很多餘量，還可以住進去更多的鋰。如果正極
也能提供和負極一樣多的鋰離子，電池容量馬上就可以提升3-5倍。因此，我們今天聽到的電池新突破大都來自正極，比如過渡金屬氧化物、導電聚合物、含硫化合物。但它們要不就是因為合成困難，要不就是迴圈次數不夠，或者不能支持大電流充放等因素，還停留在實驗室階段。

如果我們再多問一句：為什麼汽油能讓反應進行得如此高效，讓大部分電子都發揮作用呢？其實關鍵就在於，釋放電子過程中的有序和無序。

在電池中，為了實現再次充電，甚至充1000次還可以正常使用，必須小心翼翼的把一切過程安排妥帖，只允許一小部分離子在眾多材料的保障下有序的流動。

而汽油的燃燒完全不需要考慮可逆與不可逆，可以肆無忌憚的劇烈反應。在這個燃燒的化學反應中，我們如果追尋電子的去向，那是沒有方向上的規律的。這些汽油就這麼一次燃燒機會，只要參與進來就徹底變成其他物質，再也不會從二氧化碳和水變回汽油了。

電池的能量密度低，其實是為了維護“有序”而不得不做出的犧牲。

其實不止是電池，一切井然有序的世界中，秩序的維持都是有成本的。如果有人希望借粉碎一切提高效率，其實只能釋放一次璀璨的光芒，然後就燃燒殆盡了。

劃重點

1. 電池負極的選材面很窄，大概只有五種元素可以考慮，排名第一和第二的分別是氫和碳。因此，汽油、柴油等碳氫化合物的能量密度非常高。

2. 鋰電池中，真正發揮能量轉移作用的鋰元素非常少，而且還有一部分不參與電能傳輸。而為了保證鋰離子正確移動，確保電池能迴圈充放電，我們不得不增加大量的附加材料和結構，導致鋰電池的能量密度很低。

3. 電池的能量密度低，是為了維護“有序”而不得不做出的犧牲。

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