探讨电池会“死”的原因

为什么电池会死？并且，为什么它们一生只能被充电有限的次数？

几年前，当装有电池的玩具车停止移动时，我（原文作者）的小儿子问我，他想知道为什么不买一块“永恒的电池”。

同样的问题可能经常闪过那些赶在手机屏幕变黑前发出最后一条信息的用户的脑海里。

在世界各地，都有像我这样的人从事着类似的研究，目的是使电池充电更快，使用寿命更长，充电和放电的次数比现在多很多倍。

但是，就像你和我所知道的那样，制造一块真正永恒的电池是不可能的。我在课堂上讲授热力学的时间已有30多年，到目前为止，没有任何迹象表明我们能够打破最基本的科学定律制造出神奇的电池。

电池科学家和工程师将主要问题称之为“容量衰减”。

普通人或许会对这个问题感到疑惑，发出这样的疑问：“为什么我的电池不能充电了？”或者投诉：“我刚刚充好，它就又用光了！”

这是热力学第二定律的结果，该定律支配着事件万物，无论何时发生的现实过程，都会浪费掉一定量的能量，而这些能量是绝无可能被回收利用的。

电池充电或放电，都会浪费一点能量，而这一点点浪费对于电池而言，是无法恢复的。

为了设想它们的工作机理，考虑一下电池的使用情景，类似于在两个杯子之间转移水。使用电池就像将水从一个杯子倒入另一个杯子中，给电池充电就是将水倒回到第一杯子里。

即使你连续好几次都没有在杯子外掉落一滴水，但是每个杯子里总会残留下你无法倒出来的一点点水。

现在想象一下，在2、3年(手机电池)或10到20年(电动汽车)中来回倾倒数百次甚至数千次。

随着时间的推移，所有的阴差阳错都会导致相当多的水流失到杯子外面。

即使只是溢出几乎不可见的水滴——比如十分之一毫升——如果发生了10000次，就会变成一升。这甚至还没有计算进蒸发之类的影响。

就像把水从一个杯子倒到另一个杯子时，水不可避免地会有损失一样，为电池充电所需的能量比实际存储的更多，并且电池可用的能量比储存在其中的更少。浪费掉的能量与储存能量的比例随着时间的推移而增长。

换句话说，你使用电池的次数越多，浪费的能量就越多，电池就会越早进入僵死状态，无法进行充电。

我和其他人正在研究如何让电池放电—充电循环得更为顺畅地以减少浪费，但热力学第二定律确保了没有人能够一劳永逸地解决这一问题。