手机电池终将报废，物理学是罪魁祸首

为什么电池会没电？为什么它们只能充电那么多次，直到电量耗尽？几年前，我年幼的儿子问过我这个问题，当时他的电池驱动的玩具车停止了移动，他想知道所谓的“永久电池”是什么。同样的问题可能也出现在每个试图在屏幕闪烁之前发送最后一条短信的手机用户的脑海中。

像我这样的研究仍在世界各地进行，目的是制造充电速度更快、使用寿命更长、可充电和放电次数比现在多得多的电池。但无论你我多么希望，制造真正永不失效的电池是不可能的。我教热力学已经 30 多年了。到目前为止，还没有任何证据表明我们可以打破科学的基本定律来获得这种难以捉摸的电池。

电池科学家和工程师将主要问题称为“容量衰减”。普通人对此感到疑惑，会问“为什么我的电池无法充电？”，也会抱怨“我刚给电池充完电，结果又没电了！”

这是热力学第二定律的结果，该定律指出，每当发生某个实际过程时，都会产生一定量的浪费能量，这些能量永远无法恢复。每次给电池充电或放电时，都会有少量能量被浪费——电池中少量的容量被浪费，这些容量无法恢复。

要想象其工作原理，可以将电池的使用想象成在两个杯子之间倒水。使用电池就像将一个杯子中的水倒入另一个杯子中，而给电池充电则需要将水倒回第一个杯子中。即使你这样做了一两次而没有洒出一滴水，每个杯子中​​总会剩下一点点你倒不出来的水。

现在想象一下，在两三年内（对于手机电池）或十到二十年内（对于电动汽车）来回倒水数百甚至数千次。随着时间的推移，所有出现问题的数千个大大小小的问题加起来，就会有相当多的水流失。即使洒出一滴几乎看不见的水（比如十分之一毫升），如果发生 10,000 次，加起来也会有整整一升。这还不包括一个杯子以某种方式出现故障而损失更多水的可能性（例如漏水或升温导致蒸发）。

就像水从一个杯子倒到另一个杯子时不可避免地会流失一样，给电池充电所需的能量比电池实际存储的能量要多，而输出的能量比存储的能量要少。浪费的能量与存储能量的比例随着时间的推移而增加。

事实上，电池使用得越多，浪费的能量就越多，电池越快达到没电的程度，无法充电。我和其他人正在研究如何让放电-充电循环更顺畅地运行，以减少浪费，但热力学第二定律将始终确保没有办法完全消除浪费。

史蒂夫·W·马丁是爱荷华州立大学材料科学与工程学教授。本文最初发表于《对话》。