阿比蓋爾·貝爾：新的化學(xué)物質(zhì)紛紛加入未來手機和電動汽車的電源行列，但鋰離子電池仍然還會存在一段時間。

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

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，企業(yè)和消費者對電池的安全性、壽命、容量的需求不斷提升，而且電動汽車和電網(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，新一代電池的開發(fā)將成為競爭焦點，但它們會是什么樣子、會比現(xiàn)在的電池有哪些改進，都還是未知數(shù)。

能源日新月異

一個負極、一個正極和一些電解質(zhì)就構(gòu)成了最簡單的電池。帶負電荷的電子通過電解質(zhì)從負極流向正極，就形成了電流。

負極通常使用鋰金屬氧化物制造，帶有這種負極的就被稱為鋰離子電池。鋰離子電池之所以最常用，是因為它們能量容納率最高，能夠放進像你的手機這么小的空間里。在充電和放電時，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)有機電解質(zhì)構(gòu)成。為了避免電池中正負極接觸發(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。如果這一屏障裂開或蝕壞，正負電極就會接觸，電池會極速發(fā)熱。電池中還充滿了會在發(fā)熱時起火的可燃電解質(zhì)，只要一次短路就能輕易將其激發(fā)。如果封堵被揭開，液態(tài)電解質(zhì)還會泄漏。

改進電解質(zhì)

為了解決上述問題，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)奧斯汀分校的機械工程與材料科學(xué)教授約翰·班寧斯特·古迪納夫如是說。

他說，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儲存。

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

對電解質(zhì)的要求是很高的。它必須能導(dǎo)電、耐高壓而且在長時間內(nèi)保持電化學(xué)和熱學(xué)上的穩(wěn)定性狀。這就是為什么開發(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)實驗室的研究者們開發(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，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出現(xiàn)安全風(fēng)險。

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，這種電池的容量很大，且所用的硫儲量豐富。

成本更低、壽命更長

隨著電動汽車和電網(wǎng)蓄能等用途的涌現(xiàn)，電池需求的增加，近年來電池成本已經(jīng)明顯下降。但為了讓電動汽車價格更合理、行駛里程更長，電池還必須進一步降低生產(chǎn)成本、延長使用壽命。

2014年，專注于可持續(xù)技術(shù)的英國莊信萬豐公司收購了常州的一家電池研究機構(gòu)，為的就是提高汽車的電池效率。該公司表示，汽車所用電池的日歷壽命需要很快與車輛的壽命看齊，可能達到10至15年。這意味著電池壽命將不再是顧客拒絕購買電動汽車的理由。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10萬英里。

美國阿爾貢國家實驗室能量存儲與材料科學(xué)聯(lián)合研究中心的程雷(音)說，鋰離子電池的最大缺點之一是容量會隨著時間而減小。“這是由充電、放電以及電池靜置時不必要的化學(xué)反應(yīng)造成的。”這個問題在高溫下會更加嚴重。

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

大規(guī)格電池的最佳選擇是用無有序晶體結(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：“電解質(zhì)是現(xiàn)成的，但開發(fā)使用它的電池則有待獲得許可協(xié)議。”

電網(wǎng)蓄能

除了電動汽車，電網(wǎng)蓄能也是一個大規(guī)格電池作用日益重要的領(lǐng)域。太陽能和風(fēng)能是間歇性能源，其在特定時間的可再生電力發(fā)電量受天氣左右。電池則可以通過有效存儲能量幫助穩(wěn)定電網(wǎng)。

程雷說：“在電網(wǎng)蓄能市場上，硫離子電池可以成為鋰離子電池的經(jīng)濟替代品。”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：“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)有可能進入工藝性和耐久性研究。”

程雷補充說：“液流電池也是一種很好的選擇，因為它們的儲能規(guī)模很容易擴大。液流電池包含了兩種化合物，中間被一層薄膜隔開。這兩種化合物可以穿過薄膜產(chǎn)生化學(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2月，加州大學(xué)爾灣分校的科學(xué)家們造出了可以充電數(shù)百次的金納米線電池，這是其他電池所無法比擬的。該團隊希望有一天能夠制造出可以無限次充電的電池。

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

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

從液流電池到硫離子電池的眾多新選擇都還在開發(fā)階段，鋰離子電池仍要用上相當一段時間。“未來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。

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