网友问:电池充满电之后质量会有所增加吗?

作者:永利博 发布时间:2021-01-28 06:14

  在经典力学中,电池的充电和放电是化学变化,电池内部的自由电子和正离子发生转移,并没有与外界交换物质,所以电池的质量不变;在相对论当中,能量的变化必定伴随着质量的变化,但是电池充放电中的质量变化非常小,所以完全可以忽略掉。

  能量和质量是物质的两种属性,在经典力学当中是独立的,分别有质量守恒定律和能量守恒定律,在相对论当中则是统一的,两者统一为质能守恒定律。

  我们以锂电池为例,锂电池的工作原理是:正极材料使用LiMn2O4,负极材料使用石墨,充电时正极当中的Li获得电子,并向负极转移与石墨结合,放电的时候正好相反。

  所以对整块理电池而言,理想情况下无论是充电还是放电,理论上流入和流出的电荷是守恒的,并没有多余的物质进出,根据化学反应当中的质量守恒定律,整块电池的质量不发生改变。

  如果把这个问题放在相对论中,就需要考虑质量的亏损,因为相对论描述能量和质量是统一的,对于整块锂电池而言,充电之后包含的化学能是增加的,所以整块电池的质量必定也会增加。

  我们以能量密度为600Wh/kg的锂电池为例(Wh是瓦特小时),对于一吨重的锂电池,完全充满电时包含的可释放能量为:

  也就是说,对于一块一吨重的锂电池,理论上充满电后增加的质量只有24微克,与空气中漂浮的最小灰尘差不多一个数量级,完全可以忽略掉。

  如果要深究其中的微观原理,要知道化学能的本质是原子之间的化学键,不同的化学键连接强度不一样,其中包含的能量也不一样,对于同样原子组成的化学键,包含能量越高,理论上相同原子的相对论质量也越高。

  只不过化学键变化时的能量变化并不大,所以原子的质量变化是非常小的,在化学反应当中可以认为质量是守恒的,实际上存在微小区别,比如碳-12原子在不同的温度,以及不同的同素异形体当中,其质量也会存在微小差别。

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