未来会出现比锂离子电池更优秀的电池吗

市场对于锂离子电池要求的不断提升的催生了不断更新迭代的技术，那么会不会出现能量密度、安全、循环等全面碾压锂离子电池的新型电池呢？

要回答这个问题，我们需要先回顾《锂离子电池原理简述》这篇文章中的类比。在这篇文章中，我们用搬运工的货物来类比在正负极之间穿梭的锂离子，用两个不同的仓库来类比正负极材料。作同样的类比，电池的能量密度在一定程度上取决于仓库中货物的多少。为了达到更高的能量密度，大家可能会有几个猜想，为什么一定需要仓库呢？有没有容量更大的仓库呢？为什么一定需要货物呢？有没有更加高价值的货物呢？

首先，电池是将电能存储为化学能的装置，因而必须要有能够存储化学能的物质–货物（正负极材料中存储的锂）。还记得为什么前面的文章中提到，锂离子电池的正极一般为过渡金属元素嘛？因为在电能与化学能转换的时候，在正负极上需要发生氧化还原反应，来中和外电路的电子，达到物质和能量守恒。而价态较多的过渡金属元素就能够通过价态变化来“吸收”或“释放”电子，达到物质守恒。先看看现在主流的正极材料(LiFePO₄/LiCoO₂/LiMn₂O₄/LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂)，其中的过渡金属元素为Fe/Co/Mn/Ni，它们在元素周期表过渡元素中的排列是十分靠前的，这意味着它们的单位质量价态变化的量是最大的，用上面的类比就是，正极仓库的容量已经快达到理论极限了。那不用仓库行不行？直接将货物（锂离子）堆在一片地方（正极集流体）上。答案是不行，因为锂离子是锂元素单一的氧化态，而这种氧化态只能存在于化合物中。可以类比的理解成锂离子是“液态”的，得有固定的容器装它，否则就撒了一地什么也不剩。显而易见的是，正极材料的发展已经到了一个极限。

其次，对负极来说，石墨负极是靠石墨层内的离域大π键来达到吸收或释放电子的，在其层间可供锂离子嵌入脱出，以达到物质和能量守恒。除了石墨负极，目前科研和产业界正在攻关的是硅类和锂金属负极。与锂离子是“液态”不同的是，锂元素的还原态是固态的锂金属。它可以连仓库都不要了，只需要划片地方（负极集流体）堆在那里就行。也就是说负极的发展仅剩锂金属这一个”高地“，也接近极限了。

所以，未来的锂离子电池不会出现自我革新而全面超越自己的情况。这里额外说明一下，固态电池只是电解质由液态变为固态了，对锂电池能量密度的影响不大。用上面的类比，固态电池仅仅是改变了货物搬运的形式，并不会影响货物的存储量。后续会有专门的固态电池相关的分析文章，敬请关注。除了锂电池本身，其他类型的电池能不能超越锂电池呢？请接着看。

说完“仓库”，我们再来说说“搬运工的货物”。在正负极发生氧化还原的时候，除了电子守恒还需要离子守恒，也就是需要带有电荷的离子在氧化还原的过程中失去与获得。而锂离子就是作为这个带电荷的“货物”。我们再看一下元素周期表，锂是第3号元素，也是非常靠前的位置，前面还有氢、氦两个元素。氦是惰性气体，一般不具有氧化还原活性，做不了“货物”。那氢行不行呢？当然可以，并且目前的氢燃料电池的质量能量密度（>350Wh/kg）确实比锂离子电池（<300Wh/kg）高。但是为什么氢燃料电池的市占率远不如锂离子电池呢？目前，储氢的方式仍以氢气为主，而氢气作为“个头”最小的分子，它很容易从管道或储罐中渗出，并且还非常易燃易爆。也就是说在安全性能上，锂离子电池要比氢燃料电池表现优秀。另一方面，由于氢气密度小、氢燃料电池电压低的劣势，氢燃料电池的体积能量密度（300~500Wh/L）就要比锂离子电池（300~800Wh/L）逊色一点了。也就是说，氢燃料电池也不能碾压锂电池。

排除了氢、氦，在元素周期表中的下一个元素就是锂了。所以仅从能量密度这一个角度，就基本上宣判了锂之后的元素不会有更加优秀的电池种类了。新兴的如钠、钾、镁、锌电池的发展目标也绝不是取代锂离子电池，而是仅在某些细分领域发光发热。

通过上面的论述，我们现在可以回答文章开头的那个问题了，就是不会有全面碾压锂离子电池的新型电池出现。