为什么锂电池技术都获得诺贝尔奖了，还解决不了手机一天一充的现状？

锂电池技术突破、发展的瓶颈在哪？现在进行到哪一步了？什么时候可以解决手机一天一充的现状？

从第一块商业化的锂电问世以来，已经经过了大约28年的时间。这段时间里，其能量密度的年均增长率也就是4%左右，跑不赢摩尔定律，甚至跑不赢CPI 。显然在手机性能不断提升的今天，这难以真正改善手机的续航缺陷。

原因的一方面在于，正负极材料的容量提升潜力是受限的。比如钴酸锂中的锂离子只能部分脱出，否则就会有层状结构坍塌的问题。可以说，让充电截止电压提升0.05V，都不是件轻松的事。其它比如三元材料、NCA的结构与钴酸锂相似，容量也不可能有革命性的变化，最大的意义还是在于资源节约。负极现在主要使用石墨，新一代硅碳负极的开发得一步步来。硅的充放电体积变化幅度非常明显，看某些新闻报道好像很容易解决，实际上需要做的还很多。而且除了容量以外，循环寿命（能用几年）、倍率性能（快充）也要考虑——可这些性能指标却往往与材料的容量存在冲突，必须综合权衡。

另一方面，电池里有些组件，比如外壳、集流体、隔膜、电解质等，本身不提供容量，需要通过合理的设计精简其重量和体积，但那也不是无限的。这就进一步加大了总体能量密度提高的难度。

总之吧，诺奖是对开拓者们的肯定，但锂电池的发展还在漫漫长路上。任何一个先进工业产品的进步都需要艰苦奋斗，这是亘古不变的道理。

这个问题，要分为两个层面来看。

第一，锂离子电池的研发获得诺贝尔奖，站在应用角度来看，是不是实至名归？

第二，手机一天一充的现状，是不是电池能量密度不够造成的，又是不是提高电池能量密度所能解决的？

首先回答第一个问题，锂离子电池获奖，绝对是实至名归。在这里冒昧贴一个自己的回答，给大家分享一下，如果没有锂离子电池，世界会是什么样呢？(可不看，不影响后续阅读)

如果没有发明锂离子电池，电子产品将会是什么样的？

事实上，锂离子电池的出现，为今天一切携带型电子产品的智能化提供了基础，实现了从无到有的飞跃。如果没有锂离子电池，今天手机的充电频率将是一天至少两三次，而不是一天一次的水平。这个问题，我相信，不会有太大的争议。只不过，从无到有是科学问题，而从有到好，则是技术问题，是社会问题，否则世界上还是有疟疾患者，屠呦呦女士怎么能得诺贝尔奖呢？这是一样的道理。

接下来重点说说是第二个问题。依我看来，就目前来说，最制约手机续航时间的，从来就不是电池能量密度，而是用户对于手机性能不断提高的需求，以及由此带来的功耗增加。

今天，大家对于电池一天一充的问题感到十分不适，然而我想说，出现这种情况，是手机的功能定位发生剧变，以及市场选择，这两者的共同作用结果。

在以前，手机充满一次电，管个几天没有太大的问题。为什么到今天，电池反而显得越发不经用了？是因为锂离子电池技术上没有进步吗？可以说，是，又不是。

要说电池能量密度有没有进步，一定是有的，而且一直在进步。我们知道，电池能量密度，等於单位体积或者质量内能够存储的能量。对于手机而言，我们更关心体积而不是重量，所以在这里我们只来讨论体积能量密度。

锂离子的结构，和镍氢电池是类似的，它们都普遍采取了卷绕或者叠片的方式制造电池。如果只看方形叠片电池，从Z轴方向看，电池的构造一般是:

外壳 - 铝箔 - (正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 负极涂层 - 电解质 - 正极涂层 - 铝箔)n - 正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 外壳

其中括弧内是重复单元，各个部分紧密相连。其中，只有正极涂层和负极涂层中的活性物质存储了电能，集流体和电解质只是为了提供离子和电子的定向运动通道而存在的。而正极涂层和负极涂层中，除了活性物质，又包括导电炭黑和粘结剂，这些东西保证了涂层能够具有一定强度，并且在立体方向上实现了更均匀的电子传输，不加是不行的。

实际上，电池企业一直都在致力于提高电池的能量密度。经过二十多年的努力，手机电池的电解质厚度已经从第一代聚乙烯碳酸酯复合物的约 25um ，下降到今天凝胶状聚合物的不到 10um (不确定，受限于本人阅历，其实没见过真正的商用聚合物电解质)，集流体从早期的 20um 左右下降到今天的 8um 铜箔，而正负极的厚度，受限于极化不能再提高，目前正负极都是单侧 40um 左右，面密度有20和9mg /cm2吧。仅考虑上面这些，每个重复单元的活性物质总量没变，一个重复单元厚度就是从 260um 下降到了 200um ，一定厚度的电池里的活性物质质量，还有相对应的容量，自然就提高了。再考虑导电炭黑和粘结剂的总用量已经从最初的相对于活性物质约 10% 下降到如今的不到 5% ，哪怕不改变材料体系，电池的能量密度也提高了接近40%。甚至，连最难提高的材料自身比容量和电池电压，随著硅碳负极，三元正极的应用，以及材料的表面改性，也得到了一定提高。目前水平下，电池的体积能量密度相比于20世纪末的钴酸锂-聚烯烃/碳酸酯-石墨体系，提高了50%是一定有的。

而提高50%的能量密度，够用吗？我在这里做一个对比。2009年，我用的是诺基亚6085翻盖手机，它的屏幕是1.8英寸，解析度也不高，大概128乘160的样子。2019年，我用的是苹果7，这个大家都知道，4.7英寸高清屏。屏幕大了5倍多，电池的容量却只大了一倍。仅看这一项，我的苹果7手机，屏幕使用时间只有我诺基亚的1/3，这一点都不奇怪。更何况那个年代，诺基亚6085作为一款非触屏手机，它的主要功能，也注定还是发简讯，打电话，偶尔听一下歌。

而苹果的经典作品4代，在2010年已经上市。我的诺基亚续航比苹果4好多了，更不用提今天的苹果7。可是即便是那时候的我，也马上换掉了我续航强悍的诺基亚。到今天，如果说真想追求续航，也不是不行，只是性能和使用体验必须要大打折扣了。随著手机的功能，从单纯打电话发简讯，发展出听歌拍照看电影，甚至玩儿大型游戏，人们对于手机性能提高的要求，就远远超过了对续航能力的要求。如此一来，手机里给电池的空间，不好意思，也只能一砍再砍了。

这就是一开始我说的，不是电池不行，而是市场选择了牺牲一部分续航，换取性能的提升。就算手机电池的能量密度除以手机功耗，相比于今天提升了一百倍，大家猜猜手机厂家是否会为了提高性能，要求电池也做小百倍，继续让大家一天充电一次呢？别说一天充一次，到今天，苹果11的广告里，能让你从早玩到晚，都已经成了值得宣传的事情。如果是满负荷用的话，很多手机一天一充还不够呢。可不管怎么说，到今天，充电也已经比十年前，方便了太多。哪怕整天玩，能用上一个白天，晚上充充电，也就好了。

因此，在智能手机这个阶段，锂离子电池无论怎么发展，能够发展到什么地步，都不能仅通过提高电池性能来提高智能手机的续航能力。这是因为市场告诉我们，截至目前，续航能力不是用户最关心的，续航不是制约智能手机发展的最大瓶颈。续航不足的问题，相比于手机性能的进一步提升，永远都不是最重要的。那么什么时候，手机的续航时间，才能够再次普遍得到提升呢？

如果乐观一点看待，有一天，手机的能量供应系统出现革命性的变化，手机无需连接电网去充电。开个脑洞吧，尽管如今看不到希望，可未来会不会有一天，一方面移动设备功耗大幅下降，另一方面光电池也得到飞速发展直至普及。这样一来手机只要晒一晒太阳，或者甚至开著灯就能给自己充电，充电器一般情况下能彻底淘汰。这时，续航问题，就不存在了。

又或者，晶元的计算和存储能力，开始出现了溢出，进一步提升，也无助于改善用户体验。这时，才会有厂家开始能够为了续航，去增大电池的空间占比，至少是不再缩减。随著手机的电池容量与功耗的比值提高，续航问题自然也就得到了改善。

展望一下吧。手机晶元和存储器我不懂，但是锂电咱终归懂一点。大家总还是很关心，这个锂电的能量密度究竟还能提升多少呢？

从工艺角度看，当前的锂离子电池内部空间，已经十分紧凑了，想继续提高材料占比，是不太现实的。因此要进一步提高电池能量密度，唯有从活性材料自身去出发。

就目前我的知识面来看，硅基负极和富锂正极，应当是短期内最有可能取代碳-层状氧化物正极的高比能材料。目前硅已经以硅碳的形式部分地应用，但纯硅受制于巨大的体积变化，还没有解决充放电效率，少电解液条件下的循环寿命等问题，其倍率性能也不如石墨。富锂正极也由于可逆性较差，循环性能还达不到商品化的条件。如果这两种材料最终被攻克能用，并且都几乎发挥出理论比容量，炭黑电解质等辅料的用量也和现在的材料体系接近，这样一来电池平均电压虽有所下降，但正负极比容量相对于目前的可分别再提高大约一倍和十倍，如此一来电池的能量密度再提高一倍多是没有问题的。

再远一点，可能就是锂硫，即锂金属负极和硫正极。但金属锂负极和硫正极现在各自都还存在大量基础问题没有解决，甚至硫正极用什么机理充放电，都还有争议——目前看到的，至少有溶解沉积反应和固相转化反应两种，需要的电解质不同，充放电行为也不一样。因此，我们现在还无法大致想像出商品化锂硫电池用哪些材料，是不是用纯的锂和硫，还是非得用一个什么东西把金属锂和硫单质兜住？锂硫电池的电解质用什么，是传统的液态+隔膜，凝胶，还是目前火热的纯固态电解质？目前来说都是个未知数。

另外，硫实际上不是非得和锂金属匹配。就我本人观点来看，走回到锂金属负极这条路，将会异常艰辛，因为锂金属电池是早于锂离子电池出现的。正是因为这么多年来，那么多人都解决不了锂金属的循环和安全问题，才花力气开发出石墨负极，宁可大幅降低比容量也不用金属锂。今天人们又开始做锂金属负极，能否成功，我个人是悲观的。所以，也有研究者提出，使用硫化锂正极匹配硅碳，或者是预锂化了的硅碳做负极匹配硫，算是一种折中方案。总之，硫基正极会以什么样的形式大规模商品化，目前还没人说得清。

如果是锂电发展的终极目标，锂金属-固体电解质-空气电池，能够被攻克并且商品化，那将可能是锂二次电池的终极形态。这样一来正极不占用空间，电池能量密度将会达到如今的数倍。这个数倍具体是多少倍，取决于电解质和氧气(也未必得把氮气排除在外)的选择性活化催化剂需要用多少。

当然了，现在我们实际上还没有攻克我说的第一个硅-富锂正极体系，这两种材料也还存在一些应用之前必须解决的问题。现在来看，还没有任何人能按照商品化硅碳/三元的单位面积载量，把电极面容量做到大于3mAh/cm2的水平。而且，由于反应机理复杂，副反应也较多，即使在扣式半电池中，这两种近期看起来最有可能应用的材料，也无法真正发挥出它们的高比容量，进行稳定的长周期循环。因此，即便手机电池能量密度，想在已有的基础上提高一倍，恐怕都还有大量工作要做。手机电池是这样，同样用锂电单体的动力电池也是这样，任重而道远。

诺贝尔奖是滞后的。

它奖励的是以前的锂电池技术对现在社会的帮助。

你不要只看见现在的锂电池技术面对未来多么力不从心。

再说了，现在谁能革锂电池的命，推出下一代能源技术，过个几十年不照样得诺贝尔奖。

事实上可以通过加大电池来实现，每增加2000maH，厚度增加1.5mm，电池增加30g，总重增加约35g。在可接受风险范围内，是可以出大容量版本的。

无电量焦虑选择电池4000:连续使用10小时，厚度8.4mm，重量200g

轻度电量焦虑选电池6000:使用15小时，厚度10mm，重量235g

中度焦虑选电池8000:使用20小时，厚度11.5mm，重量270g

重度焦虑选电池10000:使用25小时，厚度13mm，重量305g

极度焦虑选电池15000:使用37.5小时，厚度16.5mm，重量385g。

变态焦虑选电池27000: 连续使用67.5小时，厚度25mm，重量580g，每天玩10小时也可以用一周了，这也是登机的最大容量。

当然了，还可以加大到43000mAH，续航超过100小时，但厚度会达到37 mm，重量约900g，当然需要特殊申请才能把这个电爹带上飞机。