阿比蓋爾·貝爾：新的化學(xué)物質(zhì)紛紛加入未來(lái)手機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)的電源行列，但鋰離子電池仍然還會(huì)存在一段時(shí)間。

不管是筆記本電腦還是手機(jī)，你每天總要用到好幾個(gè)鋰離子電池。自從上世紀(jì)90年代上市以來(lái)，這些可充電電池讓我們的電腦和電子設(shè)備變成可移動(dòng)的，如今就連汽車(chē)都電動(dòng)了。

但鋰離子電池并非十全十美。世界上的鋰供應(yīng)量是有限的，公司和消費(fèi)者對(duì)電池的安全性、壽命、容量的需求不斷提升，而且電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)蓄能等新的電池用途也在迅速涌現(xiàn)。

為了滿足這些需求，新一代電池的開(kāi)發(fā)將成為競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，但它們會(huì)是什么樣子、會(huì)比現(xiàn)在的電池有什么改進(jìn)，都還是未知數(shù)。

能源日新月異

一個(gè)負(fù)極、一個(gè)正極和一些電解質(zhì)就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的電池。帶負(fù)電荷的電子通過(guò)電解質(zhì)從負(fù)極流向正極，就形成了電流。

負(fù)極通常使用鋰金屬氧化物制造，帶有這種負(fù)極的就被稱(chēng)為鋰離子電池。鋰離子電池之所以最常用，是因?yàn)樗鼈兡芰咳菁{率最高，能夠放進(jìn)像你的手機(jī)這么小的空間里。在充電和放電時(shí)，鋰離子電池的能量密度是傳統(tǒng)可充電電池的3倍。

大多數(shù)鋰離子電池由石墨正極和液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)構(gòu)成。為了防止電池中正負(fù)極接觸發(fā)生短路，兩極之間以一小片薄薄的可滲透聚丙烯(一種塑料)加以阻隔。假如這一屏障裂開(kāi)或蝕壞，正負(fù)電極就會(huì)接觸，電池會(huì)極速發(fā)熱。電池中還充滿了會(huì)在發(fā)熱時(shí)起火的可燃電解質(zhì)，只要一次短路就能輕易將其激發(fā)。假如封堵被揭開(kāi)，液態(tài)電解質(zhì)還會(huì)泄漏。

改進(jìn)電解質(zhì)

為了解決上述問(wèn)題，研究者們正在尋找固態(tài)電解質(zhì)作為替代。

“目前的局限在于液態(tài)電解質(zhì)，”德州大學(xué)奧斯汀分校的機(jī)械工程與材料科學(xué)教授約翰·班寧斯特·古迪納夫如是說(shuō)。

他說(shuō)，電解質(zhì)限制了電池充電和放電的次數(shù)，以及電池的充電速度和能量?jī)?chǔ)存。

新一代電池還是鋰離子的，但會(huì)使用不同的電解質(zhì)。比如，它們可能會(huì)用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)的。

對(duì)電解質(zhì)的要求是很高的。它必須能導(dǎo)電、耐高壓而且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持電化學(xué)和熱學(xué)上的穩(wěn)定性狀。這就是為何開(kāi)發(fā)固態(tài)電解質(zhì)如此困難的原因。

去年，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究者們開(kāi)發(fā)出一種固態(tài)電解質(zhì)，其效率可以與通常的液態(tài)電解質(zhì)媲美。它在室溫下的導(dǎo)電率與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)，而且在150攝氏度高溫之下仍能保持穩(wěn)定。相比之下，液態(tài)電解質(zhì)在如此高的溫度下就會(huì)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

2016年豐田公司的研究者發(fā)表一篇論文，闡述了一種可以在短短7分鐘內(nèi)完成充電的固態(tài)鋰離子電池。

鋰硫電池是另一種很有前途的電池，使用的化學(xué)物質(zhì)截然不同。從理論上說(shuō)，這種電池的容量很大，且所用的硫儲(chǔ)量豐富。

成本更低、壽命更長(zhǎng)

隨著電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)蓄能等用途的涌現(xiàn)，電池需求的新增，近年來(lái)電池成本已經(jīng)明顯下降。但為了讓電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格更合理、行駛里程更長(zhǎng)，電池還必須進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)使用壽命。

2014年，專(zhuān)注于可持續(xù)技術(shù)的英國(guó)莊信萬(wàn)豐公司收購(gòu)了常州的一家電池研究機(jī)構(gòu)，為的就是提高汽車(chē)的電池效率。該公司表示，汽車(chē)所用電池的日歷壽命要很快與車(chē)輛的壽命看齊，可能達(dá)到10至15年。這意味著電池壽命將不再是顧客拒絕購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的理由。目前，大多數(shù)制造商可以保證電池的壽命為8年左右，或者10萬(wàn)英里。

美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能量存儲(chǔ)與材料科學(xué)聯(lián)合研究中心的程雷(音)說(shuō)，鋰離子電池的最大缺點(diǎn)之一是容量會(huì)隨著時(shí)間而減小。“這是由充電、放電以及電池靜置時(shí)不必要的化學(xué)反應(yīng)造成的。”這個(gè)問(wèn)題在高溫下會(huì)更加嚴(yán)重。

此外，由于使用了鈷和鋰等金屬以及缺乏經(jīng)濟(jì)的回收手段，鋰離子電池仍然相當(dāng)昂貴。這是促使人們尋找替代化學(xué)物質(zhì)的另一個(gè)原因。

大規(guī)格電池的最佳選擇是用無(wú)有序晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)。古迪納夫說(shuō)：“電解質(zhì)是現(xiàn)成的，但開(kāi)發(fā)使用它的電池則有待獲得許可協(xié)議。”

電網(wǎng)蓄能

除了電動(dòng)汽車(chē)，電網(wǎng)蓄能也是一個(gè)大規(guī)格電池用途日益重要的領(lǐng)域。太陽(yáng)能和風(fēng)能是間歇性能源，其在特按時(shí)間的可再生電力發(fā)電量受天氣左右。電池則可以通過(guò)有效存儲(chǔ)能量幫助穩(wěn)定電網(wǎng)。

程雷說(shuō)：“在電網(wǎng)蓄能市場(chǎng)上，硫離子電池可以成為鋰離子電池的經(jīng)濟(jì)替代品。”硫離子電池的工作方式與鋰離子相似，但所使用的硫的供應(yīng)則要穩(wěn)定得多。

華威大學(xué)的艾瑪·肯德里克博士也看好硫離子電池。她說(shuō)：“這是鋰離子電池的低成本替代品，盡管還方興未艾，但該技術(shù)有可能進(jìn)入工藝性和耐久性研究。”

程雷補(bǔ)充說(shuō)：“液流電池也是一種很好的選擇，因?yàn)樗鼈兊膬?chǔ)能規(guī)模很容易擴(kuò)大。液流電池包含了兩種化合物，中間被一層薄膜隔開(kāi)。這兩種化合物可以穿過(guò)薄膜出現(xiàn)化學(xué)能，但也能回到原位給電池充電。”

除以上之外還有很多其他的選擇。今年二月，加州大學(xué)爾灣分校的科學(xué)家們?cè)斐隽丝梢猿潆姅?shù)百次的金納米線電池，這是其他電池所無(wú)法比擬的。該團(tuán)隊(duì)希望有一天能夠制造出可以無(wú)限次充電的電池。

石墨烯未來(lái)也可能成為電池的組成部分。西班牙的Grabat公司說(shuō)，他們的石墨烯電池單次充電可供電動(dòng)汽車(chē)行駛500英里。相比之下，特斯拉3型充一次電只能跑215英里。

盡管沒(méi)人可以確切預(yù)言新一代電池會(huì)是什么樣子，但有很多人在努力解決這一問(wèn)題。

從液流電池到硫離子電池的眾多新選擇都還在開(kāi)發(fā)階段，鋰離子電池仍要用上相當(dāng)一段時(shí)間。“未來(lái)五年仍然是鋰電子電池的天下。”劍橋大學(xué)的劉濤(音)博士如是說(shuō)。

與此同時(shí)，科學(xué)家們也在努力探索鋰離子電池的回收方法。這會(huì)減少鋰礦開(kāi)采的環(huán)境影響，而鋰礦開(kāi)采也是一個(gè)成本高昂的工序。