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标题: 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？ [打印本页]

作者: fishbiscuit456 时间: 2018-1-17 13:04
标题: 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？
例如手机电池、电动汽车，在发展上很难摆脱续航时间短的限制。产生这种现象背后的深层次的原因是什么？或者说有什么技术难题是业界始终无法跨越的？

作者: 傲雪风 时间: 2018-1-17 13:04
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，Vincent 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。

作者: darny 时间: 2018-1-17 13:04
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。
以上。谢邀。

作者: qinger0912 时间: 2018-1-17 13:04
电池是化学工业。
新材料的研发难度是知乎这群程序员根本无法想象的。
程序员们都活在完美的无熵世界里，邱奇和图灵命定了整个世界的法则。律法是存在的，而且是万能的，我们只需要跟从律法，就能得到想要的结果——如果它不对，一定是我的问题，找到改正就好。
醒醒吧，真实世界远远比你们的小世界可怕，我们面对的是一片漆黑和死寂，我们不知道规则，不知道哪里是致命的陷阱：做材料研究的是在和上帝搏斗。

做个不恰当的比喻：研发新材料的难度好比 @李阿玲徒手写 TeX：一次写出一个四万行的程序，各个部件耦合性极强且无法解耦，写完前无法预测结果，无法单元测试……啊不对，材料研究比 @李阿玲更加令人绝望，因为 @李阿玲好歹可以去 debug，材料的性质不对无法 debug，只能改配方重新合成一份来 trial-and-error，错了不知道为什么，最后成功了也不知道为什么……因此真无怪乎有些人把材料科学比作「往下水道扔钱」。
有人问计算化学——很好，我们组就是做计算化学的，优化一个 30 原子的小分子结构需要两个小时；预测两个小分子的反应产物需要整整一天。我不认为地球上有一台超算能在人类可接受的时间内算出某个电池结构的电量。

作者: ttyn727 时间: 2018-1-17 13:04
主要是 cpu 技术在参数上太美丽了，而现实又狠狠的来了一个巴掌。

不能突破的不单单是电池，还有信号（连苹果6都要弄个性感的白带），还有材质，塑料玻璃金属（就没有纳米碳管什么的黑科技么？），甚至连散热都是一无所长（水冷？超微型风扇？）。

你看，除了CPU，其他行业都是线性发展的，只有CPU是指数级的。

然而，如果你参考实用价值，发现CPU的指数级参数增长，并没有带来指数级实用价值提高。因为其他科技没有跟上。

集成电路技术是一个首先到达量子力学的阶段的科技，其他的很多科技还停留在分子阶段，甚至还有停留在牛顿时代的。当他们组合起来，只能是平均水平。

假如电池技术到达了量子级别，或者直接说，核电池量产了，恩，处理器反而要跟不上了，

作者: 风骨傲气 时间: 2018-1-17 13:04
很多答案都提到了这是一个化学问题，确实如此。作为一个以前搞ios移动设备管理mdm的煤化工方向工程师。对两个行业的差别真的体会很深，一个是有严格的逻辑，绝大多数问题可以google搞定，一个是和上帝打交道，绝大多数问题都是像炒菜似得先去碰，做出结果再去琢磨如何解释。两个行业可以说看问题的视角都完全不一样。当然我不是说写程序没技术含量，我深知12306的设计，阿里双11的运行，学术圈对某一个算法常数的优化需要多少人付出多少的努力，我自然也知道ACRush有多牛逼。我的意思是，化学这种东西是人类无法控制的。
由于硕士的时候在锂离子电池正极材料做过一些研究，所以我在这里按照我的理解写写具体的问题在哪？这里只是看到大家都说化学问题，没有人说化学什么问题，所以胡乱说几句，如有写的不合适的地方，咱再讨论。
简单地说电池要想有电，首先要有电势差，比方说正极4V，负极0.5V，他们之间就有3.5V电压了，然后一接外电路，就出来电流了。一块电池能放出多少能量呢？用高中化学知识也很容易知道

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问题中说的续航时间短，说白了就是一块电池里面可以释放出的能量少，或者说没有像题主想要的那么多。有了这个概念，我们就来分别讨论和这两个量，看为什么就不能把

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做的大一些让iphone6一下子转个十天半个月呢。
是电量，可以理解是电池工作过程中一共可以在外电路走过多少个电子。这个数字依赖于什么呢？依赖于电池内部有多少能从负极跑到正极。为啥呢，因为外电路有一个

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从负极去正极，为了保持正极负极还都是电中性的，电池内部必然要有一个在电池内部从负极到正极。所以可以认为，单位质量电极材料里面储存的能出来的越多对提高能量越好。你有没有想到什么东西能放出的最多，当然是纯金属

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了。确实如此，最初的时候负极就是使用的纯金属，结果发现在反复充放电后，它的表面会形成支晶，简单说来就和树杈似得，会把隔膜刺穿。隔膜的作用是不让电子从电池内部走，只让走。你把它刺穿了，电子从电池内部走了，说白了就是短路了，所有的能量瞬间释放，就会爆炸了。所以圈内人常说的话是“锂离子电池就是一个手雷，能量快速释放就是手雷，慢慢释放就是电池”，从这个角度想，其实一个电池里面存的能量也不少了，飞机都禁止带上去很多电池怕当炸弹用，对吧。由此看来，现在的手机也确实比以前的耗电增加了不少。扯远了，下面扯回电池的另一极，正极。这里再啰嗦一句，经常看到报道说又发明了一种多牛多牛的电池材料，可以拯救世界了，一般说的都是负极材料，而现在负极材料不是主要矛盾，主要矛盾实际上是正极材料。为了让脱嵌锂电位提高，必然引入一堆乱七八糟的东西，那么单位质量所含有的锂离子就太少了。可以这么说，目前看，想要大幅度提高锂离子电池的容量，可能只能去寄希望于正极材料的改进了。
是电压，就是上面所说的电势差。既然是差，就有两种办法增大，一个是把正极的提高一些，还有一个就是把负极的降低一些。负极最低就是刚才说到的金属锂，我们就是把它定义为0V的。可是上面说了金属锂的问题，我们没法用他。那么各种负极材料都会至少有零点几伏的电位，这是不可避免的。至于正极，目前电位一般没有超过5V的，我认为电压超过5V的正极材料是不稳定的。而且这里还有一个问题就是中间的电解液能不能扛住这么高的电压。
所以问题就卡在这了，未来会怎样，从目前看来，似乎没有什么好的办法了。
科学这东西很多时候都是一个大牛往前推动了一大步，一堆普通学者在旁边修修补补做些小事情。锂离子电池的进步空间，我认为，基本上已经被各种学者榨干净了，能想到的方法基本也都想的差不多了，想要彻底解决这个问题，还是要等待颠覆性的工作出现。
能跟上节奏的可能只有燃料电池和核电池了。

作者: AgKDjFcG 时间: 2018-1-17 13:04
原理摆在那儿, 再怎么改进也要受到材料本身的制约.
无论是燃料的燃烧, 还是电池的电极反应, 本质上都是得失电子的过程.

简单计算一下:
燃油类: 可以简单表示成(CH2)n, 每摩尔的CH2可以提供6个电子, 自身重量是14克, 也就是说平均每克燃油能提供0.43摩尔的电子.
煤炭类: 每摩尔C能提供4个电子, 自重12克, 也就是说每克煤炭能提供0.33摩尔的电子.

电池类: 电池的能量来自负极活性物质提供的电子, 负极材料就相当于燃料. 比如干电池的负极物质是锌, 蓄电池是铅, 锂电池是锂. 对于锌, 每摩尔锌能提供2个电子, 自重65克, 每克锌只能提供0.031摩尔电子. 铅也是2个电子, 自重206克, 每克铅提供0.0097摩尔电子.
锂的优势就是轻, 每摩尔1个电子, 自重7克, 每克锂提供0.14摩尔电子

这还没完, 电池要充电, 反应得是可逆的才行; 电池里不可能全是负极材料啊, 还得有正极, 电解质, 外壳, 等等.
现在的问题就是, 如何既能多塞材料进去, 又能保证反应可逆, 还得安全可靠?

作者: pybbs 时间: 2018-1-17 13:04
电池的问题根本就不是复杂简单这么回事儿。

电池的问题是在于，根本不知道要怎么弄，连个方向都没有。不是技术层面上的问题，而是需要理论层面上的突破。

一个不恰当的比方，对于CPU的性能改进，就是科技树上某个分支一连串的技能点，花钱一个个点上就好了。

而电池是根本就不知道要点哪个科技树分支才能提升啊，魂淡，，，，点了半天可能屁都没有啊。

作者: 传奇私服cdegeq 时间: 2018-1-17 13:04
电池技术没有什么高深莫测，电池材料学也更多的不是设计，而是拿来用而已。
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瓶颈上来讲，锂电池由于密度低，已是目前基于氧化还原反应的二次电池里面比能量最高的，没有更好的类型出现，而锂电池正极材料和负极材料从容量和循环性能兼顾额角度来讲目前也难以找的更好的材料类型。
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手机电池使用化学电源中比能量极高的锂离子电池。负极往往是石墨材料，正极为晶体结构为层状，可以储锂的材料。几十年来最好的都是钴酸锂，,没有变化，非单是其容量高，更在于其循环性好，标准充放电循环500次容量损失在20%以下，钴酸锂较贵，因而可以使用三元的镍钴锰来替代钴，而磷酸铁锂则稳定性和安全性更好，比容量差一些。

正极材料研究有很多，氧化铁，二氧化钒，五氧化二钒都声称自己理论容量很高，但也就能把初次充放电容量做高，循环起来衰减很快，因为结构很快破坏掉了。倒是负极的石墨材料，可以使用硅碳复合材料解决高比容量的硅的稳定性问题，好像已经商业化了，还有钛酸锂负极材料性能也不错。

在材料已经确定的情况下，材料学家剩下的就是做些微改进，没进过企业家其实说了也不靠谱，但从文献来看，就是材料的纳米化，复合一下石墨烯，碳纳米管，会有部分提升，但肯定不会有本质提升。

实际上有瓶颈的何止电池？屏幕和外壳有摔不破的么？续航不给力也可以怪cpu和显示器的能耗无法明显降低。

作者: shichg123 时间: 2018-1-17 13:04
电池技术本身的发展确确实实遭遇了瓶颈，可以说，从今天往前数十几年，电池技术都没有大的突破。

如果要问核心理论和原理，那甚至可能往前数30年也没有大的突破，锂电池还是那个锂电池，但是智能机却早已经不是那台智能机了。而且现在不光是手机厂家，这个问题还影响了一系列新产业，比如新硬件，新能源汽车等等。

说白了，所有人其实就关心一点，如何让电池更耐用。

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锂电池是化学电池，它的三要素是：正极、负极和电解质。其原理很简单，就像是一个啤酒瓶子，瓶嘴是正极，瓶底是负极，中间的液体是流动的电解质。

现在通用的锂电池方案，正极材料是钴酸锂，负极材料是石墨。充电的时候，瓶嘴的正极受到外电流的刺激，释放出锂离子，锂离子经过“液态”的电解质游到瓶底，形成电流，而负极的石墨上边刚好有许多“小洞”，锂离子钻进去，电也就充进去了，这就是充电的过程。而当手机运行的时候，锂离子再游回正极，回到钴酸锂的怀抱，这就是放电过程。

所以现在的任务是，在这个“瓶子”大小不变的前提下，让中间摇摆流动的锂离子尽可能地多，以达到扩容的目的。因此，正极和负极的材料就成了关键。

经过反复的实验，人们发现，在现有的材料中，正极的钴酸锂和负极的石墨是一对最佳拍档，所以如今人们以它们为原料去制作锂电池。换句话说，今天所谓的瓶颈就是，如果我们不能找到比这二位更高效的选手，可能就永远无法解决电池容量的问题。

所以你会发现：
优化一个算法，换个逻辑，靠的是大脑；提升组件性能，改进工艺，靠的是手；电池要突破，去发现新材料，靠的是什么？运气啊！

为什么？

因为电池对材料的要求极其苛刻：

第一，它的能量密度要高，能用最小的体积储存最多的电量；
第二，它的安全性要好，面对科学家各种变态试验还保持淡定。不可以一言不合就要你半条命；
第三，它的循环寿命要长，不能充个几次电就报废了；
第四，它不能有记忆效应，今天你还要求消费者每次充电都充满，这个产品肯定卖不出去；
第五，它要环境友好，不能污染环境；
第六，必须成本低，否则无法大规模应用。

明白了电池技术为何难以突破后，再来看看如今电池的发展。

如今锂电池的能量密度已经顶到了天花板。它理论上的能量密度最高能达到600瓦时升，现在最先进的技术已经可以做到550瓦时升（具体数据不一，但是目前的潜能确实被开发的差不多了），但还是不够人们使用。最直接的原因是手机本身的系统功耗增加了：屏幕每加一排像素，处理器每加一个核，APP每加一个功能，电池心里都在滴血，这都是功耗啊。

这种情况下，电池如果还想要大电量，唯一的办法就只能去加大电池的体积了。手机为什么越做越大？一方面是市场对大屏手机的追逐，另一外面未尝不是电池的掣肘和需求。

这几年，电子产品的销量在翻番，电池单个体积又要做大，对锂电池的市场需求不断扩大。但锂的生产速度远远赶不上它的消费速度，价格在不到两年间，却翻了三倍多，从每吨5万直飙到17万。所以长期来看不排除电子产品有涨价的可能。

当然，这里并不是说电池技术也就这样了。突破虽然很难，但进步一直还是有的。

锂电池，在1970年左右被发明出来，但直到90年代，索尼才生产出第一块可以商用的锂电池，到了21世纪初，锂电池才被大规模应用于手机、笔记本等手持设备，这中间跨越了长达三四十年的时间。只是在其他技术的反差之下，这种进步很容易让人失去耐心。

【两种比较靠谱的辅助技术：超级电容&无线充电】

在技术没有突破之前，我们可以借助一些辅助手段去改善电池的使用。一般有两个思路：

一、提高充电速度，让充电变得更快，比如超级电容；
二、改变充电方式，让充电更方便，比如无线充电。

超级电容如今在技术上算比较成熟，它是一种电源，性能介于传统电容器和电池之间，可以反复充放电几十万次。目前，其部分已经进入应用阶段，像上海、宁波等城市早已有超级电容公交车上路了。

超级电容最大的优点是充电速度特别快，等一个红灯的时间就可以给一辆公交车充满电，听上去十分令人吃惊。那为什么不用它给手机和小汽车做电池呢？

因为它的缺点也十分明显。虽然充电快，但是其放电也快。公交车的路线比较固定，可以到站再充，充了电，能坚持到下一站就行了，但是小汽车却不行，路线随机，情况多变，充电是个问题。而且最致命的是电池的体积，超级电容的体积要比锂电池大得多，无法直接应用到手机上。

和超级电容类似的还有氢燃料电池，它充电更快，可以直接把燃料灌进去，但是它也一样不能应用于手机，其原因有二，一是体积，二是反应过程会有水产生。

从技术上来说，改善充电便捷性，来解决消费电子的续航问题其实更靠谱一些。

比如无线充电。

如今的无线充电主要运用电磁感应原理，它不需要一个很大的场，只需要一个小盘子，就是无线充电器。

手机和充电器上各有一个线圈，让充电器通电带电，再使用两个线圈的相互作用来传输电流。

但用户其实对它不太感冒，因为它并不方便，如果要使用，必须要先把一个这样的充电器插在插座上，再把手机扔到上面，手机才可以开始充电，而且还要放对位置，两个线圈不能离得太远，否则会导致充电失败。

这个技术听起来好像没什么卵用，但是如果可以把充电区域稍稍扩大一点呢？比如做到桌子那么大？到时候餐馆咖啡厅等等的标配可能就不只有wifi和空调了，还有无线充电餐桌，把手机往桌子上一扔，一会儿手机就充满电了，这么一想还蛮令人向往的。

如果想了解更多信息，欢迎关注王自如的科技相对论栏目。

视频链接：
锂电池的罪与罚-ZEALER
其他回答：
iPhone 哪些功能最耗电？有什么省电技巧？ - ZEALER 的回答

你的 iPhone 电池为什么不耐用？ - ZEALER的文章 - 知乎专栏

作者: levin2008 时间: 2018-1-17 13:04
耗电元器件的能力按照摩尔定律在增长，电池工业作为一个有显见的理论上限的化学体系跟着摩尔定律走了这么久已经很不错了好么……

作者: ZmAXxoJF 时间: 2018-1-17 13:04
我的理解可能是一个比较偏的角度。
科学的发展起源是归纳法和因果律。想当初，科学萌芽之初，仅靠归纳法和因果律，发展是非常缓慢的。而到了后来，基础越来越扎实，运用归纳推理出的理论，科学才突飞猛进，尤其是物理学领域。可以得出结论，突飞猛进的基础是推理出的理论的精确，理论越精准，使用越便捷，发展越快，如果化学能像物理一样在电脑上可以直接计算和预测出来准确的实验结果，而不用动手去一个一个的做实验，去观测，去猜想，岂不美哉。而目前化学领域还停留在观测，猜想，验证，修正，这种低级的归纳经验阶段，理论化学才刚刚起步。随着理论化学的发展，相信化学会像物理一样一路高歌。

作者: LThhVopG 时间: 2018-1-17 13:04
因为电池这事不归强大的程序猿管，屌炸天的产品经理也帮不上忙。

作者: YiHYcCgb 时间: 2018-1-17 13:04
提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

作者: AgKDjFcG 时间: 2018-1-17 13:04
任何科技的进步都是以新材料的研发为基础的！

为什么飞机发动机这么难进步？因为在钛合金以前没有什么材料能在如此高温气体的冲击下不会软的像面条一样；
为什么核聚变反应这么难控制？因为核聚变发生时产生如太阳般的高温可以使地球上任何一种材料融化；
为什么手机电池这么难突破？因为元素周期表里就那点东西，可以想到的材料基本已被研发殆尽。

目前手机广泛使用的锂离子电池，存在着两个最大的问题：充电时间长和续航能力低，要在电池上实现突破，唯一的途径，就是新材料，也就是在电池的正、负极和电解液上下功夫。然而事实却是，自打锂离子电池发明以来，它基本就没有大的变化。专注高能电池的Envia Systems公司，自1995年经历十多年的发展，直到2007年才使电池储能翻了一倍，此后，电池储能增幅再也没有超过30%。无怪连现代电池领域的科学家、磷酸锂铁之父John Goodenough都感慨电池研发已进入瓶颈，甚至有一些这个领域里的科学家断言锂离子电池的研发已接近终点，将不会再有显著的技术突破。

虽然目前很多孜孜不倦的研究者们把视线转移到纳米领域，比如南洋理工大学的Chen Xiaodong采用二氧化钛纳米管做阳极而提出的新型锂电池可以实现2分钟充电70%，而近几年大火的石墨烯也为电池的进步提供了更多可能。但任何一项技术，从实验室走到商业化，都要经历漫长的周期，而且在全球手机市场被几大厂商瓜分并且其各自都有非常完备的手机生产流水线的前提下，几大巨头大眼瞪小眼，无论是谁，贸然采用革命性技术所要投入相当的成本并承担极大的风险，可谓牵一发而动全身，而一旦失败，可能永久性地失去积累多年的领先地位。这些因素都将很大程度上影响手机电池的升级换代。

总得来说由于锂电池本身原理和材料方面的根本性限制，手机电池的研发可谓举步维艰，但在全世界各领域科学家的通力合作下，手机电池的春天还是会在未来实现，虽然遥远，但一定会到来！

作者: donaldjackie 时间: 2018-1-17 13:04
不懂为什么这个和程序员完全无关的问题下，大家一直在黑程序？

作者: lillian0630 时间: 2018-1-17 13:04
不要忘了，手机电池容量低的原因不仅是电池的容量密度上不去，还有手机厂商自己要把手机越做越薄的原因，如果iPhone 6 Plus加厚两毫米，然后全做电池空间用，使用时间满12小时我认为是没问题的。
而不加厚手机，要到12小时，那得能量密度翻番。但是任何事物要做到某项数值翻番都不容易吧？一口吃不成胖子的。
比起想着如何让电池容量密度翻番，更不如去考虑如何把其他元器件做小，手机做薄到一定程度就够了（不可能做得过薄的，参考苹果手机弯曲门），为电池腾出尽可能多的空间，就能保证足够的使用时间。

作者: 闲不住a 时间: 2018-1-17 13:04
大家要跳出化学思维的框框，发现核物理的新大陆：

1）据BBC网站2009年报道，科研人员成功研制出硬币大小的“核电池”(nuclear battery)，通过同位素的衰变产生电能。

过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一，就是为了提高性能，电池大小往往比产品本身还大。由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完率领的研究组成功为“核电池”瘦身，研发出的“核电池”体积小但电力强。

权载完教授组研发出的核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米，厚1.55毫米)，但电力是普通化学电池的100万倍。核电池的另一诱人之处是，提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。

2）2012年，美国佛罗里达州City Labs实验室发布了世界上首个氚电池。氚是氢的同位素之一，具有放射性，包含有两个中子和一个质子，它的原子可以衰变成为质量数为3的氦，衰变的过程中会释放大量能够为设备提供能源的电子。

该电池的最大的优点是寿命长达20年之久，远远超过了当今电池的平均寿命。

目前看，制约这一电池技术大面积应用的，不是技术问题，是成本问题。

参考引用资料：
寿命长达20年世界首个氚电池发布
好奇号核电池揭秘：可供能14年(图)_科学探索
美科学家研制出小型核电池可持续供电5000年
http://zh.wikipedia.org/wiki/核電池

作者: daomei 时间: 2018-1-17 13:04
@Belleve 的答案不错。我知道一个反面例子——彩色胶卷。

先说数码相机怎么照彩色照片呢？就是用分光镜先把入射光按照波长分成三份，然后照出来三张黑白照片，再按照 RGB 在 LCD 上「染色」。就是这么暴力。

那彩色胶卷呢？优雅多了。分光，感光，染色一次完成。看上帝设计的「纳米计算机」，碰巧被化学工程师发现了。可惜，只有这一种 special-purpose 的。现在人们又退回到暴力解决的阶段了。

作者: zhoujingli 时间: 2018-1-17 13:04
我对这个问题很有兴趣。回答问题的人都基本上都是同行，或者有兴趣爱好的。这个问题本身没有什么价值，倒是大家的讨论非常有意思。所以我更愿意讨论一些思辨的方法。另，我是博士论文拖延症，回答这种问题总是让我兴致勃勃。

电池技术为什么如此高深莫测？
很简单啊，这只能是因为你不懂，我不太懂，大家都有些不太懂的地方。有这样的问题，的确是我们想要有更好的电池。在解决问题方面，提高电池技术只是应该是一拍大腿，脑门一热想出的idea. 解决相关问题有很多种方案，比如改变生活规律，提高能源的使用效率，节能环保的生活方式。

电池技术的原理是法拉第反应，而且只是发生了离子进入情况下，是三种情况之一。现在的电极是由无数个小颗粒组成的，请看下图示例就能略知我为什么要说，你不懂，我不太懂，整个人类都有些不太懂的地方。电势能，浓度的变化实在是很难理解，难度之一是缺乏对液体的有效观测方法，还有就是对无数颗粒堆积起来形成的三维结构缺乏有效认知，下图的三个尺度上的问题缺乏有效的统一。请大家注意：这还没涉及到，材料的，化学的本质问题。都可以归纳为电化学问题，这方面学科的分界已经不太存在了。

我已经在这样的问题上消磨了5年的青春，这5年都是生活在贫困线以下，就不要奢望对电池技术有什么贡献了。做人要为社会谋利，也更要为自己

来源：

作者: BIGBON 时间: 2018-1-17 13:04
电池的发展依赖于电化学的研究进展。但化学作为一门实验学科，很多理论都非常不完善。有如下几个问题
一是学的理论往往不管用，必须要经过大量的实验来确定。导（lao)师(ban)经常拍拍脑袋想出一个“看似可行”的方案，但可怜的研究生们经过一番折腾后往往发现导师的idea就是个坑啊。
二是实验的重现性差。实验的细节非常多，paper不可能完全描述出来（往往还有很多人刻意隐瞒实验细节），数据非常不可信（成功一次失败九次都敢往上写）。因此通常情况下文献里的实验都很难重复出来。
三是实验周期太长。做出来一种电池后测得那些数据那叫一个慢啊（电池循环曲线神马的一跑就是半个月）。半个月后发现不行又得重头再来。折腾几下时间就没了。

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