週末寫個隨筆，簡單聊一聊為什麼提升動力電池能量密度這麼難。其實如果明白了這個問題，就等於明白了為什麼電池是個高科技行業，為什麼萬億市值企業中能擠進去一個電池巨頭寧德時代。

電池是個典型的學科交叉融合的產品，涉及到化學、電學、機械等多學科知識的綜合運用。

在微觀層面，電池是建立在化學反應之上的，不同的元素構成決定了不同的化學反應。已知的100多種化學元素，哪幾個元素組成的材料可作為原材料，又有什麼樣的特點，透過哪些技術手段能夠揚長避短，這些都需要深入探索。電池的本質其實是對元素的掌握和利用程度，而電池作為能量單元，要接受能量並輸出能量，也要符合電學理論。

在中觀層面，電池的製備擁有複雜的工藝，混料、塗布等幾十道工藝，每一步都影響著電池最終的效能，因此在中觀層面，是製造工藝的精深。

在宏觀層面，電池本身也是個結構件，整合效率越高越能使電池發揮更大作用。

既然化學是基礎，我們先看看常見材料的理論天花板，也就是其理論比容量是多少。

以

石墨

為例：

1）對於1mol LiC6，即6mol的C可嵌入1mol的Li；

2）1mol Li所帶的電量為26789mAh ；

3）

其理論比容量為

：26789 mAh÷（6mol×12g/mol，6molC的質量）=

372.07 mAh/g

同理可得，磷酸鐵鋰和三元的理論比容量，分別為170mAh/g和280mAh/g。

動力電池（重量）能量密度的常見單位是為Wh/kg，這和比容量有什麼關係？

W是功率單位，大家中學都學過，功率等於電流乘以電壓。

重量能量密度=電池容量×電壓÷重量

，其中，電池容量由活性材料的比容量決定。因此，

能量密度不僅和材料本身有關係，和能承載的電壓有關係，還和電池最終的組成結構重量或者體積有關係。

從公式看，只要增大分子（選比容量更高的材料，提高工作電壓），減小分母（給電池減重）就可以。那為什麼為何提升動力電池還這麼難？

這跟

電池內部“牽一髮則動全身”的強耦合關係

不無聯絡。電池內部就像一個複雜的生態系統，不同材料效能相互關聯，其中一個變數的變化，都有可能導致電池整體效能的鉅變。這就好比有，往池塘裡放生活魚，對池塘原有的生態會帶來影響，萬一沒把握好尺寸，放的是入侵物種，那原有生態就可能被破壞殆盡。

正所謂

知易行難

，以提高工作電壓為例，高電壓有利於提高能量密度，但就好比水壓過大，經年累月，水管就容易破裂造成危險。過高的工作電壓會破壞電池材料結構穩定性，造成析鋰等不良副反應。我們想提高工作電壓，還需開發適應更高電壓平臺的材料，或是透過材料摻雜、包覆等手段提高材料的承受能力，複雜程度+10086。

在推進材料創新的同時，要讓正負極、電解液、隔膜等材料都和諧相處，就是不斷破壞平衡並重新尋找平衡的萬里長征。

例如開發電解液時，既要確認其耐溫性、離子擴散等指標達標，還得避免造成電池內部的副反應，對其他材料產生負面影響。

讓各材料之間和諧相處已經很難，而

既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草，這樣的矛盾在電池研發設計中比比皆是。

我們希望能在有限的電池空間裡儲存儘可能多地能量，又希望這些能量能快速儲存釋放，這本身就是一種矛盾。鬆散的海綿材料結構有利於液體擴散，提升電池的充放電倍率效能，但也意味著低體積利用率，單位體積的活性物質少，能量密度也就降低了。

為了讓電池更加安全，我們增加了安全冗餘。這些不能提供能量的結構件，並不能增大能量密度公式中的分子，還增大了分母數值。在增強安全效能的同時，也在給能量密度提升加了不少難度。

能量密度、倍率效能、壽命、安全性等等效能往往此消彼長，如果再將製造工藝、生產成本考慮在內，提升動力電池能量密度的難度又高了幾個量級。

不過話說回來，能量密度提升雖難，但我對技術向前發展毫不懷疑，現在的技術水平遠遠不是終點。站在2009年新能源汽車的起點，很難想象2021年電池的技術已經可以支援1000公里的續航。而站在2021年向前看，未來的世界依然難以描述。

可以預見的是，

未來誰能夠率先掌握引領新能源汽車行業的技術，誰就能吃下更多的紅利。

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