1975年，英特尔的创始人戈登·摩尔提出了著名的
摩尔定律
，即
“集成电路中的晶体管数量大约每18个月就会翻一番”
。
这意味着，电子产品的性能也会随之翻倍。
往后几十年，摩尔定律在电子产品的各类功能上都得到了印证，除了......电池。
从1991年到2015年，相同体积的锂电池容量只扩大了6倍，平均每年仅增加8%。
任何一款2019年的旗舰手机，都会在续航时间上被1999年的旗舰机诺基亚7110吊打。
那么，
为什么你的电池如此不争气？
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衡量电池容量大小的核心指标是
“能量密度”
，也就是每千克或每升能量载体中所储存的能量。
比如在人体内，代谢一千克脂肪约能产生38MJ能量，足够把一个300斤的胖子从海平面运送到珠峰顶端3次。顺便一提，这也正是你减肥困难的原因之一。
在常见的燃料中，一千克的煤能产生30MJ的能量，一千克汽油能产生46.4MJ能量。
而
主流电池的能量密度，平均仅为汽油的百分之一左右
，可以说是相当差劲了。
如此不堪的能量密度，与电池的材料和结构有关。
为了探究这一问题，让我们分别解剖市面上最常见的三种电池。
这是你鼠标和遥控器里的碱性电池。
它的正极是二氧化锰，负极是锌粉。二者之间填充电解质，用来传递氢氧根离子。
当电池工作时，锌和二氧化锰之间的氧化还原反应会产生1.5V的电压，为你的鼠标供电。
仅看负极材料，
锌的能量密度只有汽油的十分之一水平
，可以说是先天低能了。
而在结构层面，碱性电池更是好不到哪里去。
首先，电池无法像汽油那样直接从空气中获得氧气，必须自备氧化剂和电解质。
其次，电池中还有很大一部分的封装材料，比如为了防止电池短路，所有电池厂商都必须在这两块金属之间加一个绝缘的底圈，我们可以借用南孚公司的说法，叫它聚能环。
所有这些，都大大挤占了发电材料的可用空间，稀释了电池的能量密度。
根据欧洲电池协会2013的研究报告，碱性电池中的锌平均只占总质量的14.9%。可以说是后天不足了。
先天低能的材料和后天制造时的复杂结构，是束缚电池发展的两大魔咒。没有哪一种电池能很好地同时解决这两个问题。
这是你家楼下电瓶车里的铅酸蓄电池。这种电池发明于1859年，是世界上最早的可充电电池。
没错，这种诞生100多年来几乎没有技术进步的电池，至今仍被广泛使用。这主要得益于它简单到不能更简单的结构：
就像它的名字一样，这块电池里除了铅，就是酸。
其中的铅甚至可以占到电池总重量的65%
，在结构上比碱性电池的高效得多。
但即便是这么夸张的含量，也挽救不了铅这种低能到极致的材料。
实际上，铅蓄电池在主流电池中能量密度垫底。它纯粹是依靠低廉的生产成本，才在市场上拼下了一席之地。
而你手机、电脑中锂离子电池，则刚好是铅蓄电池的反面。
从材料角度来讲，锂作为元素周期表上排行老三的元素，有着和汽油相当的能量密度。
但问题是，金属锂非常活泼，一旦接触到水，就会生成氢氧化锂和氢气，发生爆炸。
所以要用锂来制造电池，不能直接用金属锂，而是要用相对稳定的材料来释放和接收锂离子。
以特斯拉电动汽车使用的松下18650型电池为例，它的核心，是紧密缠绕在一根铁柱上的三张膜，上面分别涂有作为正极的锂镍钴铝氧化物，作为负极的石墨，以及用来传递锂离子的电解质。
当电池充电时，锂离子从正极脱嵌，穿过中间的隔膜嵌入石墨，放电时则相反。电池的工作过程，就是锂离子在正负极之间来回跑的过程。
这整个结构极其庞大，导致电池中可用的锂少的可怜，不到电池总重的2%。
铅酸蓄电池、碱性电池、锂电池，越是高能的材料，就越要用复杂的结构来驯服，这是电池技术革命的困境之一。希望有一天，我们能找到方法解决这一问题。
