為什么電池會死？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時，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，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”。

普通人或許會對這個問題感到疑惑，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物，無論何時發(fā)生的現(xiàn)實過程，都會浪費掉一定量的能量，而這些能量是絕無可能被回收利用的。

電池充電或放電，都會浪費一點能量，而這一點點浪費對于電池而言，是無法恢復(fù)的。

為了設(shè)想它們的工作機理，考慮一下電池的使用情景，類似于在兩個杯子之間轉(zhuǎn)移水。使用電池就像將水從一個杯子倒入另一個杯子中，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，但是每個杯子里總會殘留下你無法倒出來的一點點水。

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

隨著時間的推移，所有的陰差陽錯都會導(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，就會變成一升。這甚至還沒有計算進蒸發(fā)之類的影響。

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

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

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，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。