究竟是哪些限制了电池的“无尽可能”？

关于电池容量的限制，首先源于“可逆”的物理化学要求，导致电池能量密度存在上限。其次，原子结构和元素周期表内的元素选择也决定了电池的能量密度。此外，电芯技术和成组技术也是影响电池性能的关键因素。综合来看，尽管人类在科技上取得了巨大进步，但电池的研发仍面临多重挑战。目前，我们正通过不断的技术创新和研发来突破这些限制，以期实现更高能量密度的电池。文章详述了限制电池容量的三大因素，包括可逆性、原子结构以及电芯与成组技术，指出尽管面临挑战，人类仍在不断努力突破这些限制，以期提升电池性能。

作者：张抗抗

电动车续航一直是一个热议话题，因此小编找到研究院的电池专家，问了他一个问题：将来会不会有续航1000公里、2000公里、5000公里的电动汽车呢？

专家说，1000公里还有可能，但2000、5000公里是不大可能了，因为电池容量被一些不可违抗的物理化学规律给限制住了。

这让小编一惊：咱们人类历史一直在进步，摩尔定律下的算力18个月就翻一番，而专家却说电池容量上限并不高，这一观点让人很吃惊啊！

如果真的是这样，那究竟是什么限制了电池容量呢？专家耐心给出了解答：

1.可逆

下图概括了各种二次电池(SecondBattery)的功率密度/能量密度区间，可以看到，最努力的锂离子电池，能量密度也不过200Wh/kg。

当然，这数据老了一点。近日电池龙头CATL表示，它们的三元锂离子电池已经可以做到量产300Wh/kg[2]。

实际上，还有一种不可充电的锂电池，就是锂原电池或锂一次电池(PrimaryBattery)。在比锂二次电池早十年的时候，锂原电池就发明了，商用化的速度也快很多[1]。

一次电池与二次电池的核心区别，就是充放电过程是否要求「可逆」。如果放弃「可逆」的要求，锂电池的能量密度能上升多少呢？

如下图，在考虑了小型化、长储存寿命、低误差率、大范围工作温度的优点下，锂原电池轻松就达到了400-650Wh/kg的高能量密度。

另外一种铝空气一次电池，也有类似的高能量密度特征：

要知道，铝和锂相比，虽然最外层电子多了2个，但原子量比较大，所以在能量密度指标上对比(如果都用来做二次电池或一次电池)，还是比锂弱不少的(如下图的红色柱子)。即便如此，铝空气一次电池的能量密度电池还是比锂二次电池高很多，这也说明了二次电池与一次电池的差距。

此外，不可忽视的是，目前锂离子二次电池能达到200-300Wh/kg的高能量密度，是抓住了消费电子在1995-2010年的崛起、新能源汽车2010-2020年的崛起的两次历史机遇，获得了人类历史上少见的超高强度资本与研发资源投入的前提下被「催熟」的。

2017年Model3的21700电池为300Wh/kg，这是催熟之后的结果[4]。2008年的Roadster电池能量密度55Wh/kg，这才是锂二次电池的「原形」。

锂原电池的550Wh/kgvs.锂二次电池的55Wh/kg，「可逆」的要求造成了10倍差距。

10倍的差距很大吗？换个思路，你可能就不会觉得很大了。

设想一下，如果给燃油车装一个充电合成汽油的装置，那得多大，折合成系统能量密度会降低多少？

这有点异想天开。那么咱们现实一些，给氢燃料电池汽车，装一个电解水制氢装置，那得多大，折合成系统能量密度会降低多少？

为了利用人类最便携的能源——电能，就必须要求能量转换系统的「可逆」。从「可逆」这一点来看，锂电池可能还真是不错的选择，至少比燃油、氢能好多了！

2.原子结构

众所周知，咱们所在的宇宙共享同一张元素周期表[5]：

决定某种元素作为电池能量密度上限的，主要是正负极元素的电动势之差和密度。从下表来看，锂作为正极最好，S、F、Cl作为负极则各有缺点：S需要高温、F与Cl高毒性[1]。所以就需要化学物，这物质效率就下来了。

周期表上方元素的电位与电化学当量，能够依据数值构成多个高理论比能电池体系[1]

质量损失、反应损失、电压损失结合一下，锂电池的能量密度就跌的没影了。

3.电芯技术与成组技术

前面这都是微观层面的事情，到了电芯技术与成组技术，就是咱们商业中实打实的技术了。这里就不展开说了，只是讲一下大趋势。

一方面是电芯技术，找到更好的正负极材料啊、改成固态电解质啊各种方法都上，目标就是提高能量密度。下面是一个总体的目标图：2025年为200-350Wh/kg、2030年为225-400Wh/kg、2035年为250-500Wh/kg。

第二就是成组技术，比如说宁德时代的CTP到CTC、比亚迪刀片电池，零跑CTC、特斯拉StructureBattery，都是在追求两个趋势：一是Pack内的成组效率，兼顾安全与效率；二是Pack与车身融为一体。

参考文献：

[1]五矿证券.动力电池深度：从芯出发，回归技术本源、聚焦发展主线。

[2]http://stock.hexun.com/2022-0527/206038104.html

[3]LeisegangT,MeutznerF,ZschornakM,etal.TheAluminum-IonBattery:ASustainableandSeminalConcept?[J].FrontiersinChemistry,

[4]https://baijiahao.baidu.com/sid=1660952521781073706&wfr=spider&for=pc

[5]NittaN,WuF,LeeJT,etal.Li-ionbatterymaterials:presentandfuture[J].Materialstoday,2015,18(5):252-264.

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