電池是一種極其重要的技術(shù)，現(xiàn)代生活離開電池將無法想象。但很多工程師認(rèn)為目前電池的性能不盡人意，其性能依然具有很大的提升空間。假如能以合理的價(jià)格生產(chǎn)出性能更好的電池，不僅能使內(nèi)燃機(jī)成為多余，而且也能使人類廣泛利用風(fēng)能和太陽能，引領(lǐng)人類進(jìn)入零排放燃料時(shí)代。誠如此，確實(shí)將是一場綠色能源革命。然而，人類對這場革命的期待已經(jīng)太久。期待時(shí)間越久，人們就越懷疑它是否會(huì)真正發(fā)生。

2012年十二月，美國成立的國家級(jí)“能源存貯研究聯(lián)合中心”，希望能證明懷疑論者是錯(cuò)誤的。該中心聚集了美國能源部下屬的5個(gè)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室、5所大學(xué)和4家私營公司從事能源研究的優(yōu)秀科學(xué)家。時(shí)任美國能源部長朱棣文指出：“這是一個(gè)世界一流科學(xué)家和一流公司組成的合作團(tuán)隊(duì)，他們將確保世界最先進(jìn)的電池技術(shù)在這里研發(fā)出來并在美國生產(chǎn)。”此舉是繼日本之后第二個(gè)由政府主導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研合作組建有形實(shí)體的國家級(jí)動(dòng)力鋰電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，是美國政府著力推動(dòng)先進(jìn)動(dòng)力鋰電池發(fā)展的一項(xiàng)重大舉措。

據(jù)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志報(bào)道，該中心最近獲得了美國能源部供應(yīng)的1.2億美元研究經(jīng)費(fèi)，其目標(biāo)非常宏偉——在未來5年內(nèi)使電池容量新增到5倍，成本降為五分之一。

積極的探索方法

克瑞斯·普佩克是美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的一位工業(yè)化學(xué)家，他很堅(jiān)定地在空中晃動(dòng)著一個(gè)裝有白色粉末的試管。普佩克的同事只需少量粉末，便能分析出它是否有潛力成為電池研究領(lǐng)域可采用的最新材料。普佩克博士的工作職責(zé)就是確定新材料是否具備轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的潛力。簡言之，就是發(fā)現(xiàn)具有合適屬性的新材料用以制造價(jià)廉且能批量生產(chǎn)的電池，并將具有潛力的新材料轉(zhuǎn)給工業(yè)界進(jìn)行測試。他和同事們希望至少發(fā)現(xiàn)一種能引發(fā)一場革命的新材料。

大多數(shù)電池——從最初用于發(fā)動(dòng)汽車的笨拙鉛酸蓄電池，到現(xiàn)在為電子書讀寫器、手表等供應(yīng)動(dòng)力的造型優(yōu)美的小型鋰離子電池——都必備三個(gè)部件：兩個(gè)電極（陽極和陰極）和電解質(zhì)（包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)）。而開發(fā)新型電池的技巧，就是深入探究上述三個(gè)部件的材料，致力于優(yōu)化電池性能和降低成本。普佩克手中的白色粉末就是此類新型材料中的一種。

為了發(fā)掘更多的此類材料，阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室利用了麻省理工學(xué)院戈布蘭德·辛德爾博士創(chuàng)立的、依然在不斷擴(kuò)展的物質(zhì)百科全書——“材料計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在建立一個(gè)可與谷歌相媲美的網(wǎng)絡(luò)引擎，專門用于搜索各種材料的屬性，能讓來自大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和公司界的科學(xué)家共享信息，以促進(jìn)新材料的研發(fā)。研究人員通過超級(jí)計(jì)算機(jī)描繪出各種無機(jī)化合物的屬性，包括其穩(wěn)定性、電壓、電容和氧化狀態(tài)等，并將這些結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫。截至2011年底，該數(shù)據(jù)庫已經(jīng)收錄了1.5萬多種無機(jī)化合物，而且每天還會(huì)吸納數(shù)百種“新成員”。在探尋更優(yōu)電極材料進(jìn)程中，阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室將此計(jì)劃作為“參考圖書館”，并希望能為它“增磚添瓦”。

提高鋰離子電池性能為重要目標(biāo)

作為目前最為成功的蓄電裝置，已問世20多年的鋰離子電池的用途非常廣泛，目前已被成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車甚至客機(jī)。然而，其最大缺陷是容易過熱和燃燒。

波音787夢幻客機(jī)是全球首款廣泛使用鋰離子電池的客機(jī)，今年一月遭遇數(shù)次故障。美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)的初步調(diào)查認(rèn)定，該機(jī)型一月七日發(fā)生的電池起火事故，其原因是電池組的8個(gè)單電池，有一個(gè)發(fā)生多重短路，引發(fā)所謂熱失控的化學(xué)反應(yīng)，溫度逐漸升高。短路也逐漸擴(kuò)散到其他單電池，并導(dǎo)致起火。鑒于此，目前全球數(shù)十架波音787停飛，等待波音公司以及日本和美國政府的最終調(diào)查結(jié)果。二月初，波音公司提議對787夢幻客機(jī)的電池設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列更改，考慮新增鋰離子電池單元格之間的間隔，以減輕電池內(nèi)部熱量和火蔓延的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)新增強(qiáng)化的熱傳感器。

針對由“材料計(jì)劃”或者其他來源所供應(yīng)的各種組合材料的首次測試，其目標(biāo)是擊敗現(xiàn)有的鋰離子電池。對全世界科學(xué)家而言，能夠成功改進(jìn)鋰離子電池的性能將成為一項(xiàng)非凡的成就。

最近被任命為能源存貯研究聯(lián)合中心主任的喬治·克拉布特瑞認(rèn)為，很快就要在這方面進(jìn)行改進(jìn)。他認(rèn)為目前科學(xué)家在改進(jìn)鋰離子電池性能方面業(yè)已取得很大成就，替換鋰離子電池指日可待。該中心副主任杰夫·謝姆布萊恩對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)展更加有信心，認(rèn)為在鋰離子電池既定重量基礎(chǔ)上，依然有可能將其儲(chǔ)能容量新增一倍，成本降低30%—40%。

那么，假如科學(xué)家使鋰離子電池技術(shù)逐步趨于極限，是否能制造出真正與內(nèi)燃機(jī)汽車相媲美的電動(dòng)汽車呢？據(jù)全球著名的商業(yè)咨詢公司麥肯錫公司估計(jì)，到2020年鋰離子電池汽車將具有競爭力，但未來依然要做大量工作。此外，科學(xué)家正在開發(fā)可與鋰離子電池相媲美的其他各種新型電池。

其中的領(lǐng)先者可能就是鋰空氣電池。這種電池的原理是，利用空氣中的氧氣作為電解質(zhì)，從而減少電池自身重量，這意味著在理論上其能量密度非常大——這一點(diǎn)非常重要。與傳統(tǒng)的石油燃料驅(qū)動(dòng)汽車相比，電動(dòng)汽車的重要缺點(diǎn)就是能量供給偏少，1公斤汽油所蘊(yùn)含的能量（以焦耳為計(jì)量單位）是同等重量電池的6倍以上。設(shè)法降低該比率將使電動(dòng)汽車更具吸引力。

目前對鋰空氣電池的炒作力度很大，但要研究人員耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能解決一些技術(shù)難題。鋰空氣電池充電困難且性能極不穩(wěn)定，此外，為電池供應(yīng)能量的化學(xué)反應(yīng)存在自燃風(fēng)險(xiǎn)，因此，鋰空氣電池非常易燃，要笨重的安全系統(tǒng)以防止其起火。

幸運(yùn)的是，能源存貯研究聯(lián)合中心的研究人員有若干其他備選方法，多價(jià)離子電池便是其中之一。一個(gè)鋰原子僅擁有一個(gè)可用于化學(xué)反應(yīng)的電子，相比之下，鎂原子擁有兩個(gè)價(jià)電子，鋁原子則有三個(gè)價(jià)電子。該中心張伯倫博士指出，從理論上講，這意味著鎂電池或者鋁電池有可能獲得兩倍或三倍于鋰離子電池的能量。雖然這些金屬并不像鋰那樣輕，但它們額外的價(jià)電子可以新增其所存儲(chǔ)的能量，這種特性將使它們可與石油相媲美。此外，鎂和鋁都比鋰更便宜、更安全。然而，鎂離子和鋁離子在電池內(nèi)部難以移動(dòng)，這也是過去它們未曾被用于制造電池的原因。當(dāng)然，該問題也是新型儲(chǔ)能材料所必須解決的難題。

與流體電池同行

除了用于電動(dòng)汽車，成功開發(fā)新型電池有望建立電網(wǎng)級(jí)能源存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)綠色儲(chǔ)能。假如能建立成本低廉的電網(wǎng)級(jí)能源存儲(chǔ)方式，從經(jīng)濟(jì)角度來說，它將能克服太陽能和風(fēng)能發(fā)電的間歇性難題，引發(fā)風(fēng)能和太陽能革命。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員目前正在開發(fā)流體電池。

傳統(tǒng)的電池是在兩根固定電極中儲(chǔ)存化學(xué)能的，而流體電池則將其儲(chǔ)存在浸入電極，即液體電解質(zhì)中。流體電池能夠被制成規(guī)模龐大的電池單元，適合使用液體化學(xué)物質(zhì)存儲(chǔ)大量電能，因此可利用它們來采集風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能模件所出現(xiàn)的多余電力，并儲(chǔ)藏備用。流體電池是利用水基電解液，而水易于被分解的特性則限制了其發(fā)展?jié)摿Α拗屏肆黧w電池的工作電壓。利用有機(jī)電解液替代水基電解液將能克服這種缺陷，阿爾貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在朝著這個(gè)方向不懈地努力。

一個(gè)以電池為驅(qū)動(dòng)力的世界，將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)體系的部分電氣化（如交通運(yùn)輸業(yè)等），加快人類從使用昂貴的、污染環(huán)境的化石燃料逐步轉(zhuǎn)向陽光等零成本燃料的進(jìn)程。正如每種革命的宣言相同：新型電池所引發(fā)的將是一場無與倫比的革命。現(xiàn)在的問題是：革命必將發(fā)生，抑或現(xiàn)有電池仍將占據(jù)主導(dǎo)地位？