日报标题：手机电量就是不够，电池技术究竟难在哪儿
苏杰，忙成狗，最近不回答任何问题和评论
电池科学隶属于材料科学和电化学范畴，在很多人看来，与信息科学相比不是那么高大上，事实上，他确实不高大上。材料科学和电化学很大程度上是实验科学，很多研究高校能做的，企业也能做，甚至，氛围和诉求不同，做得比高校更好。
举个例子，我们厂做磷酸铁锂的，刚进厂时，电池研发中心主任第一次训话：我们的材料配方，是 3 万多次试验试出来的！搞了多年自控的我心想，这神马玩意啊还值得吹嘘，难道没有数学建模么？最优配方不应该是推导的么？
现在，我也和刚进厂的小伙子们说：我们厂的配方，是老主任实验了 3 万多次试出来的！
方向是有的，我们知道要拥有什么性能，需要增加何种配比，但是怎么才是最优，只能去试。
再举个例子，前两天我省开新能源战略研讨会，会上清华张教授做了个汇报。可能大家会觉得清华的教授做的汇报肯定高大上了吧。非也，他的议题，只是简简单单的“如何确定方形电池长宽比以及极耳的长宽比”。如何确定？还是试验，虽然不同尺寸的热功是能算的，但确定不同配方电池所需的外包装尺寸，仍然要靠不断的试验，最终以庞大的试验数据支撑来得出结论。而更可惜的是，这个结论是，依然没有数学模型，并且几个参数的影响是相悖的，后续的工作，仍然需要不断试验，最终找到一个每种容量的电池，以何种结构，才能获得温升和温升差的平衡，并且，永远没有办法得到最优温升或温升差。
这个行业还一个问题，到现在，锂电池还没有理论寿命的推导方法。同样的，没找到数学模型，只能依靠庞大的试验数据去寻找趋势。但是由于需要的时间太多，这种材料刚有点眉目，好嘛新材料又来了。所以到现在我们都弄不清楚怎么去科学的检测加速老化。
有个笑话，前两天和中科院某教授吃饭，我说，合作个项目，研究加速老化和寿命预测吧，对方说，呃，这个…那个…我们还是研究给我们厂的产品增加循环寿命吧，至少 30%，掷地有声。我心想，寿命预测都没有，增加寿命随便你吹吧。
另外，这个行业的桎梏，还有一个悲剧。相比关心这个行业的都听说复旦搞的水锂，可是很明显，业内都不太待见。原因很简单，第一，前段时间的新闻有些捧杀这个新材料了，吹得过头让很多人觉得不接地气；第二，全新材料的面世，对传统是一个颠覆。很多高校也好企业也好，都变成无用功了。当然，这个在其他行业也都存在。
综上所述，似乎又文不对题。但是我想说的是，这个行业的研究完全是依靠很多人力不断尝试才能出成果，所需要的时间是巨大的，而见效往往只见于细微。铅酸电池迄今为止已有 120 年，而锂电之父 Goodenough 老先生从发明到现在，也不过 10 多年，能发展到现在这个水平，已经得益于先进设备、先进仪器的帮助。而且，制造业从实验室到产线，也是一个漫长的过程，甚至可以说，产线上细微的调整和试验（那个调整电池尺寸的试验即是，产线上开模，我都不敢报费用啊），所花精力和成本又远高于实验室。
哥淡定，锂电槛内人
1，电池技术本身并不怎么高深莫测。基本原理还是当年伏打电池，也就是氧化还原反应。翻开高中化学书把电化学章节复习一遍，你就基本可以覆盖 80% 以上的电池原理。高中化学书上介绍的 Zn Cu 原电池用的是氢离子，原理和现在锂离子电池一样，只是把正负极材料、电解液换换，氢离子再换成锂离子罢了。
2，但是，原理简单不等于性能可以很容易地提高。电池系统是一个复杂的多变量系统。拿锂离子电池来说，找到适合的氧化还原反应，只是万里长征走完了第一步，只说明能发生如此氧化还原反应的材料有可能作为电池正负极材料，让锂离子在正负极间来回穿梭，从而实现充放电的目的。但这是否真正可行，却受制于太多因素。
发生副反应不行，效率太差不行，稳定性不好也不行，因为这样没几圈电池里的锂都被无谓地消耗了，性能不会好。
循环稳定性不好也不行，有些电池开始 100 圈充放电还不错，但是慢慢地效率就越来越差，最后只能达到开始时的一半甚至更低。
安全性不好绝对不行，不用解释。
材料成本太高不行，衍生出工艺太复杂也不行，什么纳米艺术啥的甭看你文章发多高，玩出什么花来，只要用成本一砍, 只要一刀就死了。成本低，性能过得去，九死一生；成本高，十死无生（除非是用到心脏起搏器等不计成本的医疗器械中）。
充放电速率问题，由于锂离子在电池中的扩散是一个动力学上的受制过程（也就是慢过程 —— 请复习物理化学相关内容）。所以原理上讲不可能通过增大电流来提高充放电速率（这是现在很多号称能快速充放电电池的手段）。加大电流，电池外做功回路（电子）电流密度增大，但电池内部锂离子的扩散由于比较慢，根本跟不上这个节奏，所以必然要牺牲性能。一分钟充电的电池当然可以做出来，但是性能可能只有 3 小时充电容量的 1/4。而且还没有考虑大电流带来的安全隐患（会起火爆炸）。
可能有人会问，为什么锂离子扩散速率这么慢，因为锂离子在电池内的扩散不像电子在金属导体中运动那么简单飘逸，导带和价带重叠，自由电子运动那叫一个酸爽。但锂离子从负极到正极的运动（放电过程）是先从负极（固体）费劲吧唧地脱出，进入粘糊糊的液体（有机电解液）或有机高分子或其他固态电解质，锂离子游完泳上岸再进入固体 -- 正极材料。这种固 -- 液 -- 固的反应你可以想象有多慢，这还不算要穿过隔膜（绝缘高分子，避免电池内正负极接触造成短路），两次穿过固液界面，任何微小的表面副反应都会雪上加霜。
因此电池这个系统原理简单，但是进一步提高性能，取得革命性突破非常困难。需要解决科学和工程的一系列问题，涉及到化学、物理、表面、界面、结构、热力学、动力学等交织在一起的诸多问题。电池系统根本不能用摩尔定律，我们现在用的电池和 1990 年代的差得并不太多。你打开 iPhone， iPad 一看就明白了，所有主板电路越来越小，电池占了一大半。苹果最新的超薄 MacBook 大家都看到了，那薄薄的壳下面就是几层电池。这种尴尬估计还要持续很多年。
无论是移动电子产品、电动汽车乃至大规模储能，大家对未来电池的要求都差不多 -- 能量密度高，性能稳定，安全可靠，寿命长，充电速度快，而且要便宜，环保……某种新材料或能满足其中若干项，但满足所有要求确实难度极高。做理论模拟的已经把元素周期表和晶体数据库翻了不知道多少遍了，能合成出来的加上根本合成不出来（不稳定）的潜在目标现在看起来依然有这样那样的问题，而且用上述诸多要求一卡，发现甚至远不如目前市场上的流行材料。相对于负极材料来说，正极材料更是瓶颈中的瓶颈。有忽悠者经常忽悠一些新概念，比如锂空气，镁电池，铝电池，这些要么纯扯淡（锂空），要么需要从头开始开创一个全新体系（如镁电池），难度异常大。电池研究是材料学中的硬科学，需要最起码对无机化学，晶体学，电化学，物理表征分析如 XRD，XPS，磁性，中子衍射，红外热重拉曼核磁，乃至同步辐射相关的 X-ray 吸收谱，甚至 DFT 计算都要有所了解或精通若干。需要有从最基本的化学合成到最终电池器件的组装之动手能力。这些要求一个人几乎不可能达到，需要团队的努力和合作。如此大投入还需要找到一个明智有前途的方向，否则就白搞了。比如 IBM 团队花了好几年时间研究锂空，最后发现悲剧了，结果项目被砍掉。
另外，一个回答中举的两个例子都不靠谱。Envia 是最著名的忽悠公司，忽悠了 Steven Chu 还有奥巴马，不断号称有 breakthrough，细细一看均扯。南洋理工的那位还有石墨烯，也基本是扯。石墨烯现在啥都能用，标准狗皮膏药，别的我不说，起码用作电池负极是扯淡。纳米技术就更搞了，除非你严格测出体积能量密度，可以和市面材料一比，否则以纳米材料如此低的振实密度，我们的电池是不是要做的想集装箱一样大？