為什麼鋰電池技術都獲得諾貝爾獎了，還解決不了手機一天一充的現狀？

鋰電池技術突破、發展的瓶頸在哪？現在進行到哪一步了？什麼時候可以解決手機一天一充的現狀？

從第一塊商業化的鋰電問世以來，已經經過了大約28年的時間。這段時間裡，其能量密度的年均增長率也就是4%左右，跑不贏摩爾定律，甚至跑不贏CPI 。顯然在手機性能不斷提升的今天，這難以真正改善手機的續航缺陷。

原因的一方面在於，正負極材料的容量提升潛力是受限的。比如鈷酸鋰中的鋰離子只能部分脫出，否則就會有層狀結構坍塌的問題。可以說，讓充電截止電壓提升0.05V，都不是件輕鬆的事。其它比如三元材料、NCA的結構與鈷酸鋰相似，容量也不可能有革命性的變化，最大的意義還是在於資源節約。負極現在主要使用石墨，新一代硅碳負極的開發得一步步來。硅的充放電體積變化幅度非常明顯，看某些新聞報道好像很容易解決，實際上需要做的還很多。而且除了容量以外，循環壽命（能用幾年）、倍率性能（快充）也要考慮——可這些性能指標卻往往與材料的容量存在衝突，必須綜合權衡。

另一方面，電池裡有些組件，比如外殼、集流體、隔膜、電解質等，本身不提供容量，需要通過合理的設計精簡其重量和體積，但那也不是無限的。這就進一步加大了總體能量密度提高的難度。

總之吧，諾獎是對開拓者們的肯定，但鋰電池的發展還在漫漫長路上。任何一個先進工業產品的進步都需要艱苦奮鬥，這是亘古不變的道理。

這個問題，要分為兩個層面來看。

第一，鋰離子電池的研發獲得諾貝爾獎，站在應用角度來看，是不是實至名歸？

第二，手機一天一充的現狀，是不是電池能量密度不夠造成的，又是不是提高電池能量密度所能解決的？

首先回答第一個問題，鋰離子電池獲獎，絕對是實至名歸。在這裡冒昧貼一個自己的回答，給大家分享一下，如果沒有鋰離子電池，世界會是什麼樣呢？(可不看，不影響後續閱讀)

如果沒有發明鋰離子電池，電子產品將會是什麼樣的？

事實上，鋰離子電池的出現，為今天一切攜帶型電子產品的智能化提供了基礎，實現了從無到有的飛躍。如果沒有鋰離子電池，今天手機的充電頻率將是一天至少兩三次，而不是一天一次的水平。這個問題，我相信，不會有太大的爭議。只不過，從無到有是科學問題，而從有到好，則是技術問題，是社會問題，否則世界上還是有瘧疾患者，屠呦呦女士怎麼能得諾貝爾獎呢？這是一樣的道理。

接下來重點說說是第二個問題。依我看來，就目前來說，最制約手機續航時間的，從來就不是電池能量密度，而是用戶對於手機性能不斷提高的需求，以及由此帶來的功耗增加。

今天，大家對於電池一天一充的問題感到十分不適，然而我想說，出現這種情況，是手機的功能定位發生劇變，以及市場選擇，這兩者的共同作用結果。

在以前，手機充滿一次電，管個幾天沒有太大的問題。為什麼到今天，電池反而顯得越發不經用了？是因為鋰離子電池技術上沒有進步嗎？可以說，是，又不是。

要說電池能量密度有沒有進步，一定是有的，而且一直在進步。我們知道，電池能量密度，等於單位體積或者質量內能夠存儲的能量。對於手機而言，我們更關心體積而不是重量，所以在這裡我們只來討論體積能量密度。

鋰離子的結構，和鎳氫電池是類似的，它們都普遍採取了卷繞或者疊片的方式製造電池。如果只看方形疊片電池，從Z軸方向看，電池的構造一般是:

外殼 - 鋁箔 - (正極塗層 - 電解質 - 負極塗層 - 銅箔 - 負極塗層 - 電解質 - 正極塗層 - 鋁箔)n - 正極塗層 - 電解質 - 負極塗層 - 銅箔 - 外殼

其中括弧內是重複單元，各個部分緊密相連。其中，只有正極塗層和負極塗層中的活性物質存儲了電能，集流體和電解質只是為了提供離子和電子的定向運動通道而存在的。而正極塗層和負極塗層中，除了活性物質，又包括導電炭黑和粘結劑，這些東西保證了塗層能夠具有一定強度，並且在立體方向上實現了更均勻的電子傳輸，不加是不行的。

實際上，電池企業一直都在致力於提高電池的能量密度。經過二十多年的努力，手機電池的電解質厚度已經從第一代聚乙烯碳酸酯複合物的約 25um ，下降到今天凝膠狀聚合物的不到 10um (不確定，受限於本人閱歷，其實沒見過真正的商用聚合物電解質)，集流體從早期的 20um 左右下降到今天的 8um 銅箔，而正負極的厚度，受限於極化不能再提高，目前正負極都是單側 40um 左右，面密度有20和9mg /cm2吧。僅考慮上面這些，每個重複單元的活性物質總量沒變，一個重複單元厚度就是從 260um 下降到了 200um ，一定厚度的電池裡的活性物質質量，還有相對應的容量，自然就提高了。再考慮導電炭黑和粘結劑的總用量已經從最初的相對於活性物質約 10% 下降到如今的不到 5% ，哪怕不改變材料體系，電池的能量密度也提高了接近40%。甚至，連最難提高的材料自身比容量和電池電壓，隨著硅碳負極，三元正極的應用，以及材料的表面改性，也得到了一定提高。目前水平下，電池的體積能量密度相比於20世紀末的鈷酸鋰-聚烯烴/碳酸酯-石墨體系，提高了50%是一定有的。

而提高50%的能量密度，夠用嗎？我在這裡做一個對比。2009年，我用的是諾基亞6085翻蓋手機，它的屏幕是1.8英寸，解析度也不高，大概128乘160的樣子。2019年，我用的是蘋果7，這個大家都知道，4.7英寸高清屏。屏幕大了5倍多，電池的容量卻只大了一倍。僅看這一項，我的蘋果7手機，屏幕使用時間只有我諾基亞的1/3，這一點都不奇怪。更何況那個年代，諾基亞6085作為一款非觸屏手機，它的主要功能，也註定還是發簡訊，打電話，偶爾聽一下歌。

而蘋果的經典作品4代，在2010年已經上市。我的諾基亞續航比蘋果4好多了，更不用提今天的蘋果7。可是即便是那時候的我，也馬上換掉了我續航強悍的諾基亞。到今天，如果說真想追求續航，也不是不行，只是性能和使用體驗必須要大打折扣了。隨著手機的功能，從單純打電話發簡訊，發展出聽歌拍照看電影，甚至玩兒大型遊戲，人們對於手機性能提高的要求，就遠遠超過了對續航能力的要求。如此一來，手機里給電池的空間，不好意思，也只能一砍再砍了。

這就是一開始我說的，不是電池不行，而是市場選擇了犧牲一部分續航，換取性能的提升。就算手機電池的能量密度除以手機功耗，相比於今天提升了一百倍，大家猜猜手機廠家是否會為了提高性能，要求電池也做小百倍，繼續讓大家一天充電一次呢？別說一天充一次，到今天，蘋果11的廣告里，能讓你從早玩到晚，都已經成了值得宣傳的事情。如果是滿負荷用的話，很多手機一天一充還不夠呢。可不管怎麼說，到今天，充電也已經比十年前，方便了太多。哪怕整天玩，能用上一個白天，晚上充充電，也就好了。

因此，在智能手機這個階段，鋰離子電池無論怎麼發展，能夠發展到什麼地步，都不能僅通過提高電池性能來提高智能手機的續航能力。這是因為市場告訴我們，截至目前，續航能力不是用戶最關心的，續航不是制約智能手機發展的最大瓶頸。續航不足的問題，相比於手機性能的進一步提升，永遠都不是最重要的。那麼什麼時候，手機的續航時間，才能夠再次普遍得到提升呢？

如果樂觀一點看待，有一天，手機的能量供應系統出現革命性的變化，手機無需連接電網去充電。開個腦洞吧，儘管如今看不到希望，可未來會不會有一天，一方面移動設備功耗大幅下降，另一方面光電池也得到飛速發展直至普及。這樣一來手機只要曬一曬太陽，或者甚至開著燈就能給自己充電，充電器一般情況下能徹底淘汰。這時，續航問題，就不存在了。

又或者，晶元的計算和存儲能力，開始出現了溢出，進一步提升，也無助於改善用戶體驗。這時，才會有廠家開始能夠為了續航，去增大電池的空間佔比，至少是不再縮減。隨著手機的電池容量與功耗的比值提高，續航問題自然也就得到了改善。

展望一下吧。手機晶元和存儲器我不懂，但是鋰電咱終歸懂一點。大家總還是很關心，這個鋰電的能量密度究竟還能提升多少呢？

從工藝角度看，當前的鋰離子電池內部空間，已經十分緊湊了，想繼續提高材料佔比，是不太現實的。因此要進一步提高電池能量密度，唯有從活性材料自身去出發。

就目前我的知識面來看，硅基負極和富鋰正極，應當是短期內最有可能取代碳-層狀氧化物正極的高比能材料。目前硅已經以硅碳的形式部分地應用，但純硅受制於巨大的體積變化，還沒有解決充放電效率，少電解液條件下的循環壽命等問題，其倍率性能也不如石墨。富鋰正極也由於可逆性較差，循環性能還達不到商品化的條件。如果這兩種材料最終被攻克能用，並且都幾乎發揮出理論比容量，炭黑電解質等輔料的用量也和現在的材料體系接近，這樣一來電池平均電壓雖有所下降，但正負極比容量相對於目前的可分別再提高大約一倍和十倍，如此一來電池的能量密度再提高一倍多是沒有問題的。

再遠一點，可能就是鋰硫，即鋰金屬負極和硫正極。但金屬鋰負極和硫正極現在各自都還存在大量基礎問題沒有解決，甚至硫正極用什麼機理充放電，都還有爭議——目前看到的，至少有溶解沉積反應和固相轉化反應兩種，需要的電解質不同，充放電行為也不一樣。因此，我們現在還無法大致想像出商品化鋰硫電池用哪些材料，是不是用純的鋰和硫，還是非得用一個什麼東西把金屬鋰和硫單質兜住？鋰硫電池的電解質用什麼，是傳統的液態+隔膜，凝膠，還是目前火熱的純固態電解質？目前來說都是個未知數。

另外，硫實際上不是非得和鋰金屬匹配。就我本人觀點來看，走回到鋰金屬負極這條路，將會異常艱辛，因為鋰金屬電池是早於鋰離子電池出現的。正是因為這麼多年來，那麼多人都解決不了鋰金屬的循環和安全問題，才花力氣開發出石墨負極，寧可大幅降低比容量也不用金屬鋰。今天人們又開始做鋰金屬負極，能否成功，我個人是悲觀的。所以，也有研究者提出，使用硫化鋰正極匹配硅碳，或者是預鋰化了的硅碳做負極匹配硫，算是一種折中方案。總之，硫基正極會以什麼樣的形式大規模商品化，目前還沒人說得清。

如果是鋰電發展的終極目標，鋰金屬-固體電解質-空氣電池，能夠被攻克並且商品化，那將可能是鋰二次電池的終極形態。這樣一來正極不佔用空間，電池能量密度將會達到如今的數倍。這個數倍具體是多少倍，取決於電解質和氧氣(也未必得把氮氣排除在外)的選擇性活化催化劑需要用多少。

當然了，現在我們實際上還沒有攻克我說的第一個硅-富鋰正極體系，這兩種材料也還存在一些應用之前必須解決的問題。現在來看，還沒有任何人能按照商品化硅碳/三元的單位面積載量，把電極面容量做到大於3mAh/cm2的水平。而且，由於反應機理複雜，副反應也較多，即使在扣式半電池中，這兩種近期看起來最有可能應用的材料，也無法真正發揮出它們的高比容量，進行穩定的長周期循環。因此，即便手機電池能量密度，想在已有的基礎上提高一倍，恐怕都還有大量工作要做。手機電池是這樣，同樣用鋰電單體的動力電池也是這樣，任重而道遠。

諾貝爾獎是滯後的。

它獎勵的是以前的鋰電池技術對現在社會的幫助。

你不要只看見現在的鋰電池技術面對未來多麼力不從心。

再說了，現在誰能革鋰電池的命，推出下一代能源技術，過個幾十年不照樣得諾貝爾獎。

事實上可以通過加大電池來實現，每增加2000maH，厚度增加1.5mm，電池增加30g，總重增加約35g。在可接受風險範圍內，是可以出大容量版本的。

無電量焦慮選擇電池4000:連續使用10小時，厚度8.4mm，重量200g

輕度電量焦慮選電池6000:使用15小時，厚度10mm，重量235g

中度焦慮選電池8000:使用20小時，厚度11.5mm，重量270g

重度焦慮選電池10000:使用25小時，厚度13mm，重量305g

極度焦慮選電池15000:使用37.5小時，厚度16.5mm，重量385g。

變態焦慮選電池27000: 連續使用67.5小時，厚度25mm，重量580g，每天玩10小時也可以用一周了，這也是登機的最大容量。

當然了，還可以加大到43000mAH，續航超過100小時，但厚度會達到37 mm，重量約900g，當然需要特殊申請才能把這個電爹帶上飛機。