真晕,你不是说“能量载体们涉及到的具体化学过程千变万化,但总能归纳到一个氧化还原反应”,“氧化还原反应的实质是电子从还原剂到氧化剂的转移”,汽油车没有电解质吧?但是汽油燃烧也有电子转移吧,怎么就不能发电呢?
是的,燃烧必然涉及电子转移,那么燃烧的电子转移与电池的电子转移根本区别在哪里??
——是否有序。
燃烧的电子转移在微观范畴上完全无序也不可控。我们完全没法预测燃料与氧气分子会往哪个方向运动,下一时刻的速率如何,我们也不知道燃料上的电子会向那个方向转移到哪个氧气分子上。10^20-23次方的分子的随机运动与更多的电子的随机转移导致的结果是无序的能量释放,或者简单点说,放热。
电池相比而言就好办点。尽管我们依旧不知道电池里面的每一个分子的运动轨迹,但我们至少可以知道:金属锂只会在负极材料表面失去电子成为锂离子;锂离子会从负极出发,最终到达正极。电子只会从负极材料表面出发,向着高电势的正极运动。10^20-23次方的电子的协同运动,在宏观上我们称之为,电流。
总结一下吧,为了放电,为了有序的电子转移,电池们不得不携带没有能量但是必不可少的电解质以及各种辅助材料,于是进一步降低了自身的能量密度。
这就完了么?没有。
二、电池的第二大问题:负极表面材料
如果你能坚持每行读下来一直读到这里,恭喜,你对电池的理解已经上了一个层次。
现在回顾上一部分的内容。啥么??全忘了??不就一句话么?由于不做功但是必不可少的电解质以及其他辅助材料的存在,电池的能量密度被稀释了。
这些额外重量到底有多少??
电解质的重量一般占电池全重15%(出处的链接找不到了)。估计把外壳,外接电极之类的辅助材料都算上,总重应该不超过电池总重的50%。
不对啊,电池虽然掺“水”了,但也不至于水得如此啊。市面上的锂离子电池们的能量密度也就单质锂的1%左右。这到底又发生了什么?
喝点鲜橙多,让我们看看最常见的钴酸锂电池(TeslaRoadster)的电化学反应式。
醒醒啊!!化学不好没关系,不要晕倒啊!!都读到这里了,你也知道答主会归纳的呀!!
发生电子转移的其实只是一部分锂与钴,其它的元素均不参与电子转移。
我们计算一下(计算过程被Eknower无情地删掉了),钴酸锂电池的电池反应的反应物总分子量为98+72=170,但只能贡献半个电子参与电子转移。因为只有部分锂原子会发生反应。
假如我们认为这两个电子的做功是一致的,那么就可以估计一下这两种能量载体的能量密度之比了。
电池能量密度:燃料能量密度=(0.5/170)/(1/6.9)=2.03%电池完败。