电池技术为什么如此高深莫测，以至于一直是手机等相关行业的短板？

9/29/2016 修改了文章中一些不太严谨的表述。

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谢谢邀请。这段时间比较忙就不详细展开了。

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，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，可以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（严重的）副反应不行，

效率太差不行，

稳定性不好不行（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的影响因子有多高，能玩出什么花来，只要用成本这把刀一砍, 一刀就死。成本低，性能马马虎虎，可以说九死一生；成本太高，十死无生（除非用于军事、心脏起搏器及其他植入式医疗器械等不太考虑成本的领域）。有某锂空大牛最近开始用金子做正极，这种电池就算做出来了是专门供应土豪的吗？

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一味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，所以这样的电子-离子运动的脱节必然导致性能的牺牲。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甚至更少，电池寿命就更惨不忍睹。这还没有考虑大电流充放电带来的巨大安全隐患——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。锂离子不是金属导体中的电子，形象一点解释，锂离子从负极到正极的运动（即放电过程）是先从负极（固体）费劲吧唧地脱出，进入粘糊糊的有机液体（电解液）或有机高分子或其他固态电解质中作扩散运动，锂离子游过电解质后上岸再进入固体--正极材料。这种固--液--固（或固--固--固）的反应你可以想象有多慢，这还不算正负极之间的隔膜（多孔的绝缘高分子材料，浸满电解液，只让锂离子过，以避免电池内正负极接触造成短路）。再者，锂离子从负极到正极的运动要两次穿过固液界面，多孔的隔膜、正负极表面也都有巨大的界面，而且这些表面的副反应非常复杂，至使电池性能的下降更加雪上加霜。更不用说材料中的杂质、制造加工时的缺陷，甚至电极片的缠绕、正负极接头的焊接等工程技术问题都可能导致电池的一系列问题。

因此电池这个系统乍看起来原理简单，但目前看来进一步提高性能，取得革命性突破非常困难。需要解决科学和工程领域内的一系列问题，涉及到材料学、无机化学、有机化学、物理、表面、界面、热力学、动力学、工程机械加工、电子电路技术等交织在一起的诸多问题。电池系统根本不能用摩尔定律来衡量，我们现在用的电池和1990年代比起来的差得并不太多，性能提高并不显著；但集成电路和电脑的发展是一个什么速度大家有目共睹。你打开iPhone或 iPad一看就明白了，所有的主板电路越来越小，就薄薄的一条，其他空间被电池占去了一大半。苹果最新的超薄Macbook air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。由于电池的滞后，倒逼电脑行业的软件、硬件工程师绞尽脑汁用各种计算机的软硬件技术来节能调控省电，这不得不说是电池界的一种耻辱。

但是难度是巨大的——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，把所有能合成出来的和几乎合成不出来（不稳定）的各种潜在目标列在一起一看，依然有这样那样的问题；而且用上述的诸多要求一卡，到最后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，这些要么几乎纯扯淡（锂空），要么需要从头开始开创一个全新体系（如镁电池），难度异常之大。电池研究是一门综合学科，需要最起码对材料学、无机化学，电化学，固体物理，工程技术以及各种表征分析手段（如XRD，XPS，磁性，中子衍射，红外热重核磁，乃至同步辐射相关的X射线分析技术），甚至理论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，需要大团队的努力和合作。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，现在排名第一的那个回答最后明显错误，基于已知或相似材料结构计算、预测电池能量密度，容量，电压（电量不是严格意义上的术语）根本不是什么难事。计算也不需要太长时间，而且理论计算值打个折扣后和实验值也可以吻合。很多系统比如氧化物，磷酸盐都算了很多，都有library了。对于未知结构，那属于从头模拟，人类现在当然没有这个上帝视角的能力。只能慢慢摸索了。

另外，

Fu的答案中（我）举出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，别的不说，起码用作电池负极比较扯淡。

纳米技术问题也很多，比如令人非常头疼的密度问题。很多纳米材料比表面巨大，振实密度低，这样一来电池的体积能量密度就难以提高。比如用于电动车，电池重量重一点还好，反正车本来就要载重；但是如果电池的体积能量密度低，那么电池的体积就会变得巨大，怎么装在车上？有些忽悠的专家，天天吹嘘他们的纳米材料做电池多么多么牛，其实他们报道的都是“超高”的质量能量密度；体积能量密度要么选择性不报道，要么扭扭捏捏报道了，数据惨不忍睹。我简单算一下，如果这样的纳米材料做成电池装在特斯拉上，那么这些电池会和集装箱一样大！而且纳米材料还有其他诸多问题，比如制造工艺复杂、成本高、纳米颗粒的毒性和致癌性（这个领域以前竟然没人关注！）、产品均一度差等。

最后说一点，电池技术只是一门储能技术，是储存能量的媒介。电池储能的环保作用不应该过分夸大。如果电能的主要来源还是高污染的化石燃料，那么电动车也只是把污染从大城市转移了出去（当然大型电厂的排污控制当然会比汽车强很多）。而且电池本身并不环保低碳，生产电池所用的各种原料如正负极材料、铜箔，铝箔，有机电解液，高分子，金属/非金属外壳等很多都需要高能耗、高污染的重工业来生产（最明显的例子就是石墨，有谁去过石墨厂吗？）。如果电能不是来自于低污染的可再生能源，电池的回收再利用没有充分地做好，那么电池的环保效益会大大降低。