為什么電池會(huì)死？并且，為什么它們一生只能被充電有限的次數(shù)？

幾年前，當(dāng)裝有電池的玩具車停止移動(dòng)時(shí)，我（原文作者）的小兒子問我，他想知道為什么不買一塊“永恒的電池”。

同樣的問題可能經(jīng)常閃過那些趕在手機(jī)屏幕變黑前發(fā)出最后一條信息的用戶的腦海里。

在世界各地，都有像我這樣的人從事著類似的研究，目的是使電池充電更快，使用壽命更長(zhǎng)，充電和放電的次數(shù)比現(xiàn)在多很多倍。

但是，就像你和我所知道的那樣，制造一塊真正永恒的電池是不可能的。我在課堂上講授熱力學(xué)的時(shí)間已有30多年，到目前為止，沒有任何跡象表明我們能夠打破最基本的科學(xué)定律制造出神奇的電池。

電池科學(xué)家和工程師將主要問題稱之為“容量衰減”。

普通人或許會(huì)對(duì)這個(gè)問題感到疑惑，發(fā)出這樣的疑問：“為什么我的電池不能充電了？”或者投訴：“我剛剛充好，它就又用光了！”

這是熱力學(xué)第二定律的結(jié)果，該定律支配著事件萬(wàn)物，無論何時(shí)發(fā)生的現(xiàn)實(shí)過程，都會(huì)浪費(fèi)掉一定量的能量，而這些能量是絕無可能被回收利用的。

電池充電或放電，都會(huì)浪費(fèi)一點(diǎn)能量，而這一點(diǎn)點(diǎn)浪費(fèi)對(duì)于電池而言，是無法恢復(fù)的。

為了設(shè)想它們的工作機(jī)理，考慮一下電池的使用情景，類似于在兩個(gè)杯子之間轉(zhuǎn)移水。使用電池就像將水從一個(gè)杯子倒入另一個(gè)杯子中，給電池充電就是將水倒回到第一杯子里。

即使你連續(xù)好幾次都沒有在杯子外掉落一滴水，但是每個(gè)杯子里總會(huì)殘留下你無法倒出來的一點(diǎn)點(diǎn)水。

現(xiàn)在想象一下，在2、3年(手機(jī)電池)或10到20年(電動(dòng)汽車)中來回傾倒數(shù)百次甚至數(shù)千次。

隨著時(shí)間的推移，所有的陰差陽(yáng)錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)多的水流失到杯子外面。

即使只是溢出幾乎不可見的水滴——比如十分之一毫升——如果發(fā)生了10000次，就會(huì)變成一升。這甚至還沒有計(jì)算進(jìn)蒸發(fā)之類的影響。

就像把水從一個(gè)杯子倒到另一個(gè)杯子時(shí)，水不可避免地會(huì)有損失一樣，為電池充電所需的能量比實(shí)際存儲(chǔ)的更多，并且電池可用的能量比儲(chǔ)存在其中的更少。浪費(fèi)掉的能量與儲(chǔ)存能量的比例隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。

換句話說，你使用電池的次數(shù)越多，浪費(fèi)的能量就越多，電池就會(huì)越早進(jìn)入僵死狀態(tài)，無法進(jìn)行充電。

我和其他人正在研究如何讓電池放電—充電循環(huán)得更為順暢地以減少浪費(fèi)，但熱力學(xué)第二定律確保了沒有人能夠一勞永逸地解決這一問題。