智能手機時代，另外一個產業火爆了起來：移動電源。因為手機本身的電池不夠用，隨便玩半天就沒電的手機現在到處都是。說白了，就是實際上能滿足待機需求的手機，重量應該是你的手機加上你的移動電源。沒人想帶著磚頭一樣的產品，但是理想的電池在哪里呢?
所有的電池，其實都是電化學反應。在初高中的化學課本里，我們使用的是銅棒和鋅棒放入盛有稀硫酸的燒杯里面，這時候如果用電線接通銅棒和鋅棒，里面就有電流通過，可以用萬用表來測量這個比較微弱的電流。
上面所說的就是原電池。今天的所有電池，在本質上，依舊離不開陰極陽極以及氧化還原反應。上面圖片里面的原電池，就是鋅失去兩個電子而銅得到兩個電子。
可能有一些宣傳會這樣說：某某科學家發明了新電池技術，XX秒就可以充滿電！這種幾秒就能充滿的，是電容不是電池！電容和電池的區別在于，電池是用化學反應來儲存、釋放電，而電容則是電勢差；并且電容的單位是法拉第，我們常見的電池、充電器一般用安培時間來標注容量。電容的特點是可以很快速的充電，但它和電池是兩碼事。超級電容目前只在公共汽車等環境可以使用，充電電流高達200安培(iPad是2安培左右)，但是充電后的續航只有幾公里。超級電容只是研究的一個方向，距離替代今天的充電電池還需要走很長的路。
對于現在的人們來說，智能手機待機短，成了所有人的心病，而解決辦法竟然是要去解決處理器的功耗……而不是提升電池，那么電池到底瓶頸在哪里呢?
先了解能量密度
能量密度是個非常有趣的概念。它有兩個不同的表現形式。因為不同的電池，使用的材料不同，自然物理密度也就不一樣，所以有瓦時/公斤與瓦時/升兩種不同的表現形式。對于普通的手機來說，肯定更關注后面的參數，因為手機內部空間有限。
但是應用到電動車上又是另一種情況。電動車的空間相對寬裕，但是如果電池原材料密度過大，顯然會讓很多功做在了運輸電池自身上。而對于要飛起來的無人機等，重量的意義就更為明顯。
對于能源，我們最熟悉的就是汽油。汽油如果完全燃燒，它的能量密度是多少呢？據估算大約是12000瓦時/千克，這是個非常大的數字。但由于汽油機做功效率比較低，所以我們的油耗一直不算太低。
鋰電池的能量密度又是多少呢？常用的鋰離子電池，大約范圍在150-250瓦時/千克，鋰聚合物的密度大，可以達到300瓦時/升，對比汽油，完全不在一個數量等級上，差了百十倍。隨著工藝和材料的改良，我們常用的鋰電池密度也是在逐步提升的，甚至對比十幾年前的初代產品(鋰電池是1991年由索尼開始量產)已經翻了幾倍。但是對于今天的智能手機用戶來說，他們希望的是十倍的提升，也就是充電一次，可以用一周左右。
電極的材料
我們生活周邊的各種電池很多，而且有著不同的用途。比如汽車用來啟動，很多都采用鉛酸蓄電池，它的特點是啟動的時候電流大，這對于內阻大的電池來說就是噩夢，因此現在的車用蓄電池的內阻比較小。
針對不同的應用場景，要尋找不同的電池材料。它的輸出電壓、電流、內阻、可循環次數等，都是要考量的指標。以手機、平板等設備為例，我們使用的電池，要能承受數百次、上千次的充電循環，現在普遍采用的鋰離子(鈷酸鋰)、鋰聚合物電池都適合做手機或是移動電源的充電設備，并且它們的輸出電壓3.6V，也有利于直接驅動IC。
而我們常見的鎳氫電池，比如松下(三洋)著名的愛樂普，充滿電放一年依舊有80%以上的電量，并且可以循環多次。但為何手機上不用鎳氫電池呢？這是因為鎳氫電池的電壓只有1.2V，所以如果要達到3.6V，就要三塊串聯……顯然要比現在的鋰電池需要更多的空間。
電池放電，要求材料具有高儲能密度，并且在多次循環充放電這個過程中，依舊保持很高的容量，并且最好有利于工業化生產，這樣的材料存在嗎?
燃料電池：已然在路上
豐田今年正式發布了氫燃料電池汽車Mirai。與特斯拉一樣，豐田公開了汽車用氫燃料電池的專利，其它車廠可以免費用，此舉旨在擴大氫燃料電池的市場。
在技術原理上，氫是消耗品，作為燃料電池的反應動力來源。豐田的Mirai帶有個超高壓氫氣瓶，可以攜帶5公斤氫，續航能力能達到600多公里，平均每公斤氫的續航為100公里以上。之前寶馬也有氫燃料汽車H7，同樣背著氫氣瓶，不過寶馬的方案里面有發動機，氫氣是燃燒氣體做功，與傳統的汽油機類似；豐田則不一樣，氫是參與燃料電池反應發電，電池提供113千瓦的電力給電動機驅動汽車前進。當然，作為清潔能源，氫的反應結束之后，只有水一種產物，不污染環境。
氫燃料電池當然好，但這只適合車用，手機用戶肯定不可能帶著碩大的燃料電池以及高壓氫氣瓶……而很多其它材料的燃料電池很難回避的問題還是材料：依賴鉑這種貴金屬，并且對空氣要求高。一來昂貴，二來也不現實，前幾年，北京弄了兩輛材料里面有鉑的氫燃料電池公交車，在郊區行駛兩年試驗，其中有一臺一年就燒了六次動力單元，只因為北京空氣中硫、氮化合物含量太高……
IBM：Battery 500偉大計劃
2009年，IBM設立了一個電動汽車動力相關的計劃：Battery 500，顧名思義，就是想通過研發，獲得讓汽車一次充電續航超過500英里(800多公里)的能力。
IBM的研究重心是：鋰-空氣電池，這也是現階段汽車動力的重點方向。不僅僅IBM，全世界都在研究鋰空氣電池。這種電池的原理不復雜，就是活潑金屬鋰和空氣中的氧氣反應放電。但是這個過程中，不是生成固體的氧化鋰，而是通過溶液，生成液態的氫氧化鋰。在反應的過程中，空氣中的氧氣相當于無限提供，而鋰則作為消耗品。
鋰空氣電池的理想狀態是：增加續航，不用充電，只要更換反應用的溶液和金屬鋰即可，溶液里面的氫氧化鋰可以很容易的電解還原再得到金屬鋰循環利用，相當于電廠充電，汽車端只需換鋰和電解液做電極就行，可以超高速的實現續航。
另外一個關鍵是，鋰空氣電池的能量密度極高，對于今天的電池，是指數級別的提升。也就是說，如果研發成功，續航的噩夢就不復存在，因為空氣中氧氣的供給是無限的，所以理論上鋰空氣電池容量可以無限大……但是，鋰空氣電池的現實是“骨感”的：實際的產品容量不高，并且現有方案的化學反應研究也不夠透徹，所以還需要很多年才能真正的產業化。目前除了IBM，包括日本旭硝子之類的高技術企業也都加入了這個計劃。
鋰空氣電池，也難以小型化，目前看只能是汽車用，手機用不了，并且能上路的車，起碼要等到2020年。
手機的希望：鋰硫電池?
說一千道一萬，現在有希望應用在手機上的高能電池是什么？因為前面說的電池，基本都是作為動力電池，應用在汽車上面多，很難小型化。而我們常用的手機電池基本都是鈷酸鋰電池。因為鈷酸鋰電池的優點很多，比如相對安全、耐循充放電循環、工作溫度范圍廣等。
問題是，從1991年索尼開始量產到今天，鈷酸鋰電池的密度提升有限，也就是扛不住現在的手機對電池的消耗。我們需要現有體積不變、且容量更大的電池來支持智能設備的續航。而且，鈷酸鋰電池的主要原料——鈷，本身并不算地球上富集的元素，價格也在逐年上漲。
目前基于鋰金屬的電池材料方案當中，研究的比較多的是鋰硫電池。硫和氧是同族元素，所以鋰硫電池的反應，有點類似鋰空氣電池，但是最大的不同在于硫是固體。理論上講，鋰硫反應的能量密度非常高，有望把現有鈷酸鋰電池的能量密度提升一個數量級，達到接近2000瓦時/公斤，電壓1.5V-2V。
鋰硫電池的反應很簡單，就是2個鋰離子與1個硫離子結合形成Li2S，鋰失去兩個電子。但是問題同樣非常多。除了鋰和硫本身活潑的屬性之外，最大的問題是硫和硫化鋰的密度差距很大，這樣導致在反應的過程中會有膨脹……并且硫本身導電性很弱，也不利于充分利用反應物，現在的辦法是用炭做載體。關于鋰硫電池的研發投入非常大，但是至今仍沒有工業化的希望。因為反應復雜，很多實驗室得到的結果，甚至連重復實驗都很難做到。
當然，除了上面說的幾個熱門電池，還有其它前沿研究，但是研究的深度還不如上述的電池。這種研究十幾年卻得不到結果的狀況，在電子設備上不多，但是在電池方面卻已經持續了很多年。
作為普通消費者，恐怕依舊要繼續忍受我們目前不給力的電池，并且不知道什么時候會有突破，或許十年、二十年，而這種材料科技，正是一個國家科學研究能力的體現。
