新一代电池的发展潜能

阿比盖尔·贝尔：新的化学物质纷纷加入未来手机和电动汽车的电源行列，但锂离子电池仍然还会存在一段时间。

不管是笔记本电脑还是手机，你每天总要用到好几个锂离子电池。自从上世纪90年代上市以来，这些可充电电池让我们的电脑和电子设备变成可移动的，如今就连汽车都电动了。

但锂离子电池并非十全十美。世界上的锂供应量是有限的，企业和消费者对电池的安全性、寿命、容量的需求不断提升，而且电动汽车和电网蓄能等新的电池用途也在迅速涌现。

为了满足这些需求，新一代电池的开发将成为竞争焦点，但它们会是什么样子、会比现在的电池有哪些改进，都还是未知数。

能源日新月异

一个负极、一个正极和一些电解质就构成了最简单的电池。带负电荷的电子通过电解质从负极流向正极，就形成了电流。

负极通常使用锂金属氧化物制造，带有这种负极的就被称为锂离子电池。锂离子电池之所以最常用，是因为它们能量容纳率最高，能够放进像你的手机这么小的空间里。在充电和放电时，锂离子电池的能量密度是传统可充电电池的3倍。

大多数锂离子电池由石墨正极和液态有机电解质构成。为了避免电池中正负极接触发生短路，两极之间以一小片薄薄的可渗透聚丙烯(一种塑料)加以阻隔。如果这一屏障裂开或蚀坏，正负电极就会接触，电池会极速发热。电池中还充满了会在发热时起火的可燃电解质，只要一次短路就能轻易将其激发。如果封堵被揭开，液态电解质还会泄漏。

改进电解质

为了解决上述问题，研究者们正在寻找固态电解质作为替代。

“目前的局限在于液态电解质，”德州大学奥斯汀分校的机械工程与材料科学教授约翰·班宁斯特·古迪纳夫如是说。

他说，电解质限制了电池充电和放电的次数，以及电池的充电速度和能量储存。

新一代电池还是锂离子的，但会使用不同的电解质。比如，它们可能会用固态电解质代替液态的。

对电解质的要求是很高的。它必须能导电、耐高压而且在长时间内保持电化学和热学上的稳定性状。这就是为什么开发固态电解质如此困难的原因。

去年，瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究者们开发出一种固态电解质，其效率可以与通常的液态电解质媲美。它在室温下的导电率与液态电解质相当，而且在150摄氏度高温之下仍能保持稳定。相比之下，液态电解质在如此高的温度下就会出现安全风险。

2016年丰田公司的研究者发表一篇论文，阐述了一种可以在短短7分钟内完成充电的固态锂离子电池。

锂硫电池是另一种很有前途的电池，使用的化学物质截然不同。从理论上说，这种电池的容量很大，且所用的硫储量丰富。

成本更低、寿命更长

随着电动汽车和电网蓄能等用途的涌现，电池需求的增加，近年来电池成本已经明显下降。但为了让电动汽车价格更合理、行驶里程更长，电池还必须进一步降低生产成本、延长使用寿命。

2014年，专注于可持续技术的英国庄信万丰公司收购了常州的一家电池研究机构，为的就是提高汽车的电池效率。该公司表示，汽车所用电池的日历寿命需要很快与车辆的寿命看齐，可能达到10至15年。这意味着电池寿命将不再是顾客拒绝购买电动汽车的理由。目前，大多数制造商可以保证电池的寿命为8年左右，或者10万英里。

美国阿尔贡国家实验室能量存储与材料科学联合研究中心的程雷(音)说，锂离子电池的最大缺点之一是容量会随着时间而减小。“这是由充电、放电以及电池静置时不必要的化学反应造成的。”这个问题在高温下会更加严重。

此外，由于使用了钴和锂等金属以及缺乏经济的回收手段，锂离子电池仍然相当昂贵。这是促使人们寻找替代化学物质的另一个原因。

大规格电池的最佳选择是用无有序晶体结构的固态电解质代替液态电解质。古迪纳夫说：“电解质是现成的，但开发使用它的电池则有待获得许可协议。”

电网蓄能

除了电动汽车，电网蓄能也是一个大规格电池作用日益重要的领域。太阳能和风能是间歇性能源，其在特定时间的可再生电力发电量受天气左右。电池则可以通过有效存储能量帮助稳定电网。

程雷说：“在电网蓄能市场上，硫离子电池可以成为锂离子电池的经济替代品。”硫离子电池的工作方式与锂离子相似，但所使用的硫的供应则要稳定得多。

华威大学的艾玛·肯德里克博士也看好硫离子电池。她说：“这是锂离子电池的低成本替代品，尽管还方兴未艾，但该技术有可能进入工艺性和耐久性研究。”

程雷补充说：“液流电池也是一种很好的选择，因为它们的储能规模很容易扩大。液流电池包含了两种化合物，中间被一层薄膜隔开。这两种化合物可以穿过薄膜产生化学能，但也能回到原位给电池充电。”

除以上之外还有很多其他的选择。今年2月，加州大学尔湾分校的科学家们造出了可以充电数百次的金纳米线电池，这是其他电池所无法比拟的。该团队希望有一天能够制造出可以无限次充电的电池。

石墨烯未来也可能成为电池的组成部分。西班牙的Grabat公司说，他们的石墨烯电池单次充电可供电动汽车行驶500英里。相比之下，特斯拉3型充一次电只能跑215英里。

尽管没人可以确切预言新一代电池会是什么样子，但有很多人在努力解决这一问题。

从液流电池到硫离子电池的众多新选择都还在开发阶段，锂离子电池仍要用上相当一段时间。“未来五年仍然是锂电子电池的天下。”剑桥大学的刘涛(音)博士如是说。

与此同时，科学家们也在努力探索锂离子电池的回收方法。这会减少锂矿开采的环境影响，而锂矿开采也是一个成本高昂的工序。