电池的物理学【转载】--作者：土摩托

飞天

和所有的电池一样，电动车电池不但需要提高单位体积（或重量）的电容量，还必须加快充电速度，降低造价，增加可充电次数。事实上，高容量、快速充电和低成本的电池都已经造出来了，只可惜没法在同一块电池上同时实现这些功能。笔记本和手机等家用电器采用了牺牲一部分性能换取另一部分性能的办法，比如手机电池对容量要求很高，对充电时间和次数的要求就不那么高，因为用户通常不会在乎那点时间，而电池往往没等用坏，手机就已经过时，需要更换了。所以，在这个市场，容量大但价格昂贵的锂离子电池占了主流。
家用电器充电电池没有竞争对手，即使性能不够完美，也已经是消费者最好的选择了。汽车电池可没有这样的待遇，因为它有一个可怕的竞争对手-汽油，汽油为汽车电池树立了一个很高的标准，竞争不过汽油，电动汽车便无法生存。
汽油最大的好处就是单位体积的热容量高。别看液氢的热容量也很高，但它比重太小了，同样体积的液氢热容量只有汽油的三分之一。也就是说，液氢汽车必须附带一个200升的燃料箱才能达到目前小轿车的里程数。电池的热容量差得就更远了，EV1使用的铅酸电池单位重量的热容量只是汽油的1/1000，即使考虑到电动机的效率比汽油发动机高3倍，两者的热容量也相差了300倍之多，难怪EV1使用的电池如此巨大，但行驶里程数还是无法和普通汽车相比。新一代锂离子电池的单位热容量提高得很快，但也还不到汽油的1/30，所以充电一次所能行驶的距离太短始终是电动汽车发展的瓶颈。
汽油的第二个好处就是便宜。虽然不久前原油的价格曾经达到过每桶150美元的水平，但那主要是政治因素在作怪。中东地区石油的开采成本每桶不到2美元，其它地区也高不到哪去。但即使我们按照每桶150美元的价格计算，电动汽车的优势也不大。美国加州大学伯克利分校的物理学教授理查德•穆勒（Richard Muller）为该校文科生开过一门课，介绍物理学在日常生活当中的应用。他为学生们算过一笔账：如果以目前市场上的笔记本电脑电池为例，一块电池储存了60瓦时的能量，可以充电700次，也就是说一块这样的电池可以释放的总能量为42千瓦时。该电池售价为130美元，折合每千瓦时3美元，这比美国的电价（每千瓦时10美分）要高出很多。相比之下，每升汽油含有的热容量大约相当于9千瓦时，一般发动机的热效率都在20%以上，所以每升汽油可以做的功约为2千瓦时左右。美国油价最高的时候也没有超过每升1美元，最低时每升油只要50美分。所以说，用电池的费用远比用汽油要高。贵的原因不是电价，而是电池的价格。
值得一提的是，如今笔记本电池的性价比已经比EV1使用的铅酸电池要好多了，可见当初EV1是多么地不合算。GE始终没有公布过EV1的售价，但有专家猜测它的造价大约是每辆8万美元。去年刚刚在美国上市的特斯拉全电动跑车（Tesla Roadster）充一次电可跑320公里，相当不错，但它的电池是由6831个高性能（同时也是高价）的锂离子电池组成的，整车售价为10万美元，一般人可消费不起。
汽油的第三个好处就是能量传输速度快。去加油站加一次油用不了2分钟，再加上交钱找零，最多5分钟就能重新上路。可目前的充电电池充一次电少说也要一个小时，差距很大。我们同样可以用物理学的方法计算一下两者的差别在哪里。一般家用交流电插头的最大输出功率为3千瓦，骨干民用线路可以扩大10倍，达到3万瓦。但如果把汽油的能量换算成瓦，那么加油枪的输出功率高达500万瓦！难怪加油的速度比充电快多了。
以上的计算还只考虑了民用输电线路的承受能力。电池之所以能够储存电能，靠的是电池内的化学反应，其速率也是有上限了。真正能够快速充电的电池是电容电池，它不需要化学反应，所以可以在一瞬间完成充电过程。可惜电容的物理特征决定了电容电池的容量很难做大，目前还远不能满足汽车工业的需要。
光凭以上这三点就能说明，杀死电动车的凶手不是石油公司，而是物理学。
那么，谁来拯救电动汽车？答案还得是物理学。随着技术的进步，锂离子电池的电容量在10年里提高了一倍。虽然这一速度远远不及微电子领域的“摩尔定律”（即每18个月翻一番），但考虑到电池容量的物理限制，这一进步是很了不起的。
电池充电速度的进步则更加明显。目前科学家都把注意力集中在锂离子电池上，1996年开发出的用氧化锂锰代替氧化锂钴做阳极的锂离子电池充电效率提高了10倍，但容量也相应地下降了有人开发出一种新的阳极材料，可以把充电速度提高很多倍，但又能保持高容量，这就是磷酸铁锂（LiFePO4）。这种电池能承受很高的电流，安全性比锂钴电池好很多，价格也比锂钴电池便宜了不少，对环境也很友好，非常适合用于制造汽车电池。
就在今年3月初，美国麻省理工学院（MIT）的教授格布兰德•西德（Gerbrand Ceder）和他领导的小组在《自然》（Nature）杂志上宣布，他们发明了一种新材料，为锂离子提供了一条更便捷的通道，使得充电速度比过去提高了100倍。用这种新材料制成的铁锂电池只需20秒钟就可以完成充电，但这仅适用于小型家用电器专用电池。前文说过，民用交流电网的输出功率限制了电池的充电速度，要想让汽车电池的充电速度赶上汽油，国家必须要花一大笔钱用于改造加油站的供电设备才有可能做到。
这个困难是物理学所决定的，谁也无法避免。很多。与此同时，又

江南小丸子

学习了

沈淼章

又一个转一半的

穿过黑夜

very good