你乘坐电梯来到公寓大楼的地下车库，走向自己的汽车——一辆油电混合动力汽车。你的钥匙扣上挂着一个无钥匙遥控器，只要按下按钮就可以打开锁住的车门。进入汽车以后，你在方向盘前坐好，发动汽车向车库出口开去。在车库出口处，你减慢车速，一个传感器识别出你车中的电子钥匙，自动为你打开了车库门。

从本质上来看，汽车是一种把势能转化为动能的机器。在内燃发动机中，势能表现为化学能，这种能量储存在汽油分子中。在电动汽车中，势能来自电化学电池。而油电混合动力汽车既装有内燃发动机，又配有电动机，这种汽车的设计目标是将两种能源的优势最大化，同时让其劣势最小化。燃油汽车加满一箱油后可以跑很远的距离，但这种汽车的每公里油耗指标不理想，还会产生有害气体。

电动汽车则更加环保、高效，但是每次充满电后的行驶距离有限，因为其电池的能量密度较低。如果只考虑正常情况下的驾驶需求，汽车只要装一个小型发动机就可以了（这样的发动机在油耗方面效率更高）。但是，如果车辆需要在高速路上加速或者爬陡坡，小型发动机将无法为车辆提供足够的动力。上述情况虽然不常有，但却是驾驶者可能遇到并且必须应对的重要情况，因此，为了让这种更小、更高效的发动机在特殊情况下仍能产生足够的动力，油电混合动力汽车把以电池供能的电动机作为次要能量来源。

这样一来，油电混合动力汽车不仅靠更高效的发动机降低了每公里油耗，而且还不用以牺牲加速性能为代价——因为在车辆加速的时候，电动机可以起到辅助作用。然而，站在一名物理学家的角度看，每辆汽车都是靠电能驱动的。不管让车轮转动的能量来自哪里，从本质上来看，电动汽车、燃油汽车，甚至是靠蒸汽机驱动的古董车，它们的能量归根结底都来源于电。在正常情况下，原子是电中性的（既不带正电荷，也不带负电荷）。然而，电中性的原子之间是不能形成化学键的。

如果我们让两个原子靠得非常近，它们的电子旋转轨道就会发生重叠。带负电的电子会互相排斥，使得两个原子彼此远离并且各自独立。还有一种化学键叫作“离子键”，电池中储蓄的能量就来自离子键。如果原子所带的电子数目比正常数目少或者多，原子就变成了“离子”。在一个“阳离子”中，绕原子核运动的带负电的电子数目少于原子核中带正电的质子数目。如果电子的数目大于质子的数目，我们就会得到一个“阴离子”。电池是一种靠离子来产生电压的设备。

一个典型的电池可以让离子在两个金属棒之间移动（这两个金属棒被称为“电极”或者“终端”）。电池的两个电极通常都浸泡在某种液体中，这种液体可以是酸性的（比如硫酸），也可以是碱性的（通常是氢氧化钾），它使电池一极上的原子带上电荷，从而形成离子。如果我们选择适当的金属作为电极，再选择合适的化学液体，就可以让带负电的离子堆积在一个电极处，而让带正电的离子堆积在另一个电极处。

我们在液体中放置一个起分隔作用的挡板，让离子待在相应的电极处，并防止阳离子与阴离子在液体中互相结合放电。当我们用一根导线把电池的两极连在一起时，导线两端的电势差使得导线中的电子远离电池的阴离子极，而流向阳离子极。于是，这根导线中就产生了电流。我们可以利用这种电流来做机械功，比如驱动一个电动机。

当我们利用电池在电路中产生电流时，电极中存储的离子就会发生移动，而电池液中的化学反应可以继续为电池的两极提供正负电荷。但最终，电池液中的反应物会耗尽，到那时，电池将无法继续保持额定电压，这个电池也就“没电”了。幸运的是，今天的电动汽车配备的都是可充电电池。

用电池来存储电能的另一个局限性在于，电池的金属电极能够容纳的带电离子数量是有限的，这是把电池作为汽车的唯一能量来源的一个很大的劣势。

和电池的能量密度相比，存储在汽油分子化学键中的能量密度要大得多。我们要做的就是用某种方式获取这些能量，并用这些能量来驱动汽车。