任何便攜式設(shè)備都要一個(gè)電池。沒(méi)有電池科技，我們將不會(huì)有手機(jī)、手提電腦或者其他消費(fèi)電子產(chǎn)品。關(guān)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)尤其如此。

自從上世紀(jì)80年代以來(lái)，電池研究已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。1980年代世界出現(xiàn)了第一代鋰金屬電池，在今天看來(lái)出現(xiàn)了復(fù)蘇的可能。在1991年，日本的索尼公司首次推出了鋰離子電池作為音樂(lè)播放器的電池，也許他們也沒(méi)有想到這會(huì)對(duì)世界出現(xiàn)如此巨大的影響。然而，現(xiàn)在出現(xiàn)了另外一個(gè)趨勢(shì)，即讓電池科技和電網(wǎng)相聯(lián)系起來(lái)。為了讓電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)正常運(yùn)行，我們就要更大電池。研究人員也正在努力實(shí)現(xiàn)去鋰離子化，從而使電池達(dá)到一個(gè)新的高峰。

亞洲在鋰離子電池發(fā)展的霸主地位

1991年，自從索尼使用第一款商用鋰離子電池后，世界開(kāi)始發(fā)生變化。在90年代，日本鋰離子電池設(shè)施類(lèi)似于半導(dǎo)體晶圓廠。“電池發(fā)展開(kāi)始從黑暗走向光明。”StevenVisco說(shuō)。趕上了第一代鋰離子電池發(fā)展的時(shí)機(jī)，亞洲公司尤其是日本公司開(kāi)始大力發(fā)展鋰離子電池相關(guān)的研究和專(zhuān)利。

當(dāng)傳統(tǒng)電池制造商還著眼于一次性電池的發(fā)展時(shí)，鋰離子電池的問(wèn)世可以說(shuō)是當(dāng)頭棒喝，給了美國(guó)市場(chǎng)非常大的震撼。經(jīng)過(guò)短暫的醒悟后，三家大型電池公司——金霸王，雷特威和勁量試圖進(jìn)入鋰離子電池行業(yè)，但是以失敗告終。

繼日本之后，韓國(guó)也開(kāi)始發(fā)展鋰離子技術(shù)，之后是我國(guó)，而美國(guó)在這方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了。“現(xiàn)在電池行業(yè)又迎來(lái)了變革的時(shí)刻，關(guān)于美國(guó)來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是千載難逢的時(shí)機(jī)。”因此美國(guó)也在這方面投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，以期能夠趕上亞洲公司。得益于這筆資金，許多電池制造商紛紛崛起，尤其是在硅谷。

專(zhuān)注于鋰離子電池

關(guān)于電池技術(shù)方面的資助資金高達(dá)3.25億美元，作為FY16預(yù)算的一部分。其中的一部分會(huì)進(jìn)行鋰離子電池相關(guān)研究，期望能夠獲得更好的電池標(biāo)準(zhǔn)。“目前的趨勢(shì)是制備更好的鋰離子電池電極。”GeorgeCrabtree說(shuō)。

目前鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)電極是二氧化鈷。然而，為了制備下一代鋰離子電池，研究人員必須以二氧化鈷電極為基礎(chǔ)，摻雜其他元素來(lái)提高其性能。而該研究的重點(diǎn)是電壓。由鈷、鎳和二氧化錳材料組成的電極可以具有更好的性能。“鋰離子電池的電壓為4.5V，但是假如你可以新增電池的電壓，例如新增到4.8V，那么你就可以新增電能密度。”Crabtree說(shuō)。

由于鋰離子電池已經(jīng)存在了超過(guò)25年，因此研究人員已經(jīng)對(duì)其非常了解，鋰離子電池中使用的材料也非常標(biāo)準(zhǔn)和成熟。鋰離子電池中使用的陽(yáng)極材料是石墨，而陰極材料則是氧化鈷或者二氧化鈷。近年來(lái)我們也經(jīng)常聽(tīng)到由于鋰離子電池中電解質(zhì)的原因，會(huì)使得電池著火。

目前越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)走上了馬路，而在鋰離子電池中則具有很多液態(tài)的電解質(zhì)，而且這些電解質(zhì)非常易燃。目前關(guān)于鋰離子電池的一大擔(dān)心則是，隨著能量密度的新增，電池的安全性問(wèn)題也會(huì)成為一大問(wèn)題。我們面對(duì)著很多的安全性方面的挑戰(zhàn)，但是我們可以通過(guò)電池設(shè)計(jì)等方面來(lái)加以防止。在電池中設(shè)置一個(gè)管理系統(tǒng)，可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，可以將電池關(guān)閉。

在陽(yáng)極材料方面，碳是一種相對(duì)較重的材料，而且隨著電池尺寸的要求越來(lái)越微小，研究人員傾向于選擇其他材料作為電池陽(yáng)極。當(dāng)談到離子液態(tài)的電解質(zhì)在常溫下具有很高的鋰離子導(dǎo)電性，且不易燃、不易失。鋰金屬電池具有非常高的能量密度，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的鋰離子電池。這樣的電池可以有效減少制作成本。

超越鋰離子電池

隨著全世界電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，超越鋰離子電池的技術(shù)成為了競(jìng)相追逐的對(duì)象，而這從能源部汽車(chē)技術(shù)辦公室投資1.25億美元用于相關(guān)領(lǐng)域就能看得出來(lái)。其中5400萬(wàn)美元和電池科技新材料相關(guān)。

和鋰離子電池不同的是，研究人員要考慮用于三種不同部分的材料：陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。鋰—空氣電池是一個(gè)很好的例子。這種電池儲(chǔ)存的電量是傳統(tǒng)鋰離子電池的數(shù)倍，而這關(guān)于汽車(chē)等來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

PolyPlu電池公司在2000年左右發(fā)明了水穩(wěn)鋰電極，在鋰金屬電極附近形成一種陶瓷電解質(zhì)，從而可以保護(hù)電極免受外部環(huán)境的影響。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，該公司申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利，并且進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了水基鋰—空氣電池。目前PolyPlus公司正在著手開(kāi)發(fā)一種鋰硫水溶液電池，其能力可達(dá)到600Wh/l和400Wh/kg。

空氣電池類(lèi)似的另一類(lèi)電池就是鋰—硫電池。然而，鋰—硫電池面對(duì)的最大挑戰(zhàn)就是硫，且如何使得其表現(xiàn)為絕緣材料。當(dāng)硫和鋰接觸時(shí)，會(huì)形成復(fù)合物L(fēng)i2S，也是一種絕緣體。這意味著該反應(yīng)很難逆向進(jìn)行，從而使得其很難對(duì)電池進(jìn)行充電。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，人們提出了很多的解決方法。其中的一種方法就是，通過(guò)將Li2S的尺寸降低到納米級(jí)別來(lái)減小其影響。當(dāng)電極的尺寸降低到納米級(jí)別時(shí)，即使是絕緣體也有可能導(dǎo)電，從而使得反應(yīng)可以逆向進(jìn)行。

談到液流電池，研究人員將晶體電極換成了液體。“新的材料有時(shí)可以?xún)纱胃淖冣C氧化態(tài)，而一些有機(jī)材料則可能多次改變它們的氧化態(tài)。因此，從原則上來(lái)說(shuō)，一些新材料比釩更好。”Crabtree.說(shuō)。該種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是，由于選用的材料是有機(jī)材料，因此更加便宜。

儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心的研究人員目前為液態(tài)電池開(kāi)辟了新的方向，通過(guò)這種改進(jìn)，研究人員可以更好地控制聚合物或者單個(gè)分子。另一項(xiàng)創(chuàng)新則是在聚合物之間構(gòu)建了聯(lián)系，從而獲得的材料比單個(gè)分子更大。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，研究人員可以借此用多孔膜過(guò)濾掉活性物質(zhì)，且價(jià)格非常低廉。

超越鋰離子電池技術(shù)的另一個(gè)方向則是使用鎂，因?yàn)殒V有兩個(gè)電荷，而鋰離子只有一個(gè)。但是每一次鎂離子在陰極和陽(yáng)極之間進(jìn)行來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以帶有兩個(gè)電荷，且其要求的陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)材料都不相同，因此，研究人員要尋找三種新材料。該儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了可以和鎂電極互相匹配工作的電解質(zhì)。但是這也仍然是在非常早期的研究階段，還不能滿(mǎn)足商業(yè)化的要求，但是具有非常大的研究?jī)r(jià)值。

暢想未來(lái)

關(guān)于電池技術(shù)來(lái)說(shuō)，另一項(xiàng)革命即將要到來(lái)，就像1991年的相同，沒(méi)有人可以預(yù)測(cè)到這場(chǎng)革命對(duì)人們的生活將到來(lái)什么樣的影響。當(dāng)市面上電動(dòng)汽車(chē)的部署達(dá)到50%時(shí)，新的革命就將要開(kāi)始了。目前雖然市場(chǎng)份額只有2%到3%，但是前景非常明朗。就像半導(dǎo)體革命開(kāi)始的時(shí)候那樣，有很多的進(jìn)步會(huì)發(fā)生，這關(guān)于電池的發(fā)展和商業(yè)化非常重要。關(guān)于全球來(lái)說(shuō)，新一輪的競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始，美國(guó)也有實(shí)力與亞洲公司一較高下。