钜大LARGE | 点击量：1564次 | 2018年10月14日
三种新颖但有实用前景的电池技术介绍
技术发展到今天，我们对更好的电池的需求也越来越大。因为虽然设备的计算能力和设备的使用领域都在不断扩大，但是电池的供电能力却几乎没发生值得关注的变化。近段时间以来，新闻媒体都在乐此不疲地报告各种新型的电池技术突破，但是这些新技术中的大部分都很难实现商业化；就像人们不断重复地那样：在实验室中是一回事，找到批量化生产的具有成本的效益的生产方法又是另一回事。
但是电池的发展竞赛还在继续：电动汽车制造商正在寻找更便宜、更轻、更强大而且更持久的电池。电子设备制造商也在寻找更可靠、使用寿命更长而且充电更快的电池。而可穿戴和医疗植入式设备的厂商则更倾向于更小巧、更长续航的电池技术。而可再生能源企业也在寻找能够稳定充放电成千上万次的电池技术。
在我们时常听到的新电池技术中间，我们选出了三个最具有实用前景的电池技术。我们对这些技术离实际应用的时间和未来可能产生的影响进行了分析。
固态电池
让我们先从一个能够避免锂离子电池的危险性的新兴技术开始说起吧。这项技术被称为固态电池技术，它有许多种形式，为了理解为什么这种电池为什么更加安全，我们可以先来看看为什么锂电池会有自燃的风险。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
大部分传统的锂电池都有两个电极（阳极和阴极），阴极和阳极之间是用来传导锂离子的液体电解质。而锂电池的主要问题就是这种电解质是非常易燃的，如果锂电池破损或者受到了重击，电池就可能起火，就可能出现下面的情况：
而固态电池中并没有液体电解质，它们使用的是一层其它材料来在两个电极之间传导离子和产生能量。
安全性只是固态电池技术的一个方面而已。因为固态电池中没有了液态电解质，所以他们不需要额外的防护层，所以它们可以做到更轻更小。这对于汽车制造商来说是个十足的好消息。美国能源部高级先进能源研究计划局（ARPA-E）有多个固态电池开发项目，有的是开发固态的锂离子电池，有的则是开发其他材料的固态电池。
在固态电池研究领域的领头羊是SakTI3公司，该公司的CEO是AnnMarieSastry。《麻省理工学院技术评论》的KevinBullis在一篇文章中对SakTI3和Sastry所做的工作进行了描述，该公司目前关注的重点是如何实现固态锂电池的规模化生产。文章写道：
“她也在开发有助于大规模生产的制造技术。‘如果你的总体目标是改变人们的驾驶方式，你的标准就不能仅仅是最好的能量密度和更多的循环充电次数。’她说，‘最主要的目标是在提供必要性能基础上的耐受能力’。”
SakTI3的工作听起来很令人兴奋，但这家公司一直都对其技术秘而不宣，所以目前对该电池中使用的电解质材料类型我们还不得而知，而当然这些材料的类型将会在大规模的生产制造中对成本产生巨大的影响。但我们知道SakTI3已经得到了包括通用公司在内的风险投资，并且该公司早在去年就宣称已经实现了现在锂离子电池两倍的能量密度。另一家固态电池公司QuantumScape则相对而言安静得多，但有传言说该公司也在进行类似的技术研发工作。
那么，我们还要多久才能真正使用固态电池呢？就目前而言，实现固态电池的大规模商业化还为时尚早。电池技术的挑战不只是电池中所应用的电化学原理，真正需要突破的地方是实现工厂的大规模生产，并且还要实现比传统电池更划算的价格。
SteveLeVine在其新书ThePowerhouse中对电池创新的商业化过程进行了深度挖掘。他用了数年时间对Envia公司进行跟踪调查，这家公司是一家电池领域的创业公司，并最终成为了通用的阴极供应商。然而最后交货时，通用经过检验发现。Envia交付的电池达不到自己所宣称的标准。最终通用结束了Envia的合同。
正如LeVine所解释的那样，目前电池技术中最令人振奋的并不是电池，而是制造工艺。“让我振奋的是看到能够突破制造成本限制的新电池技术出现。”他说，并指出美国能源部现在也在专注于生产工艺的创新而不仅仅是电化学原理的革新，“我认为那才是值得期待的地方。”
特斯拉建造中的超级工厂Gigafactory
甚至伊隆·马斯克也在试图解决这一问题。他的正在建设之中的Gigafactory试图将整个电池制造流程纳入到同一个工厂之中，这是一个巨大的赌注，不过看起来特斯拉相信自己能够击败竞争对手。请记住，这是为了并没有那么突破性的电池技术。但这是关于规模经济的游戏——甚至马斯克也承受着工厂还没建好可能技术就已经过时了的批评。
铝空气电池
尽管锂是电池材料之王，但是也有人在做其它尝试。因为事实上锂的开采相对较为困难，而且在电子释放性能上还有一些材料的表现更好
一个名为Phinergy的以色列公司和其它竞争者则在最近几年里正在研究一种完全不需要的锂的电池技术：铝空气电池。理论上而言，这种电池可以在几分钟内充好电。在这种新型的电池中，其中的一个电极是铝板，而另一个电极则是氧气。准确地说是氧和水电解质。当氧与铝板发生交互作用时，就会产生能量。
铝空气电池已经出现了很长一段时间了，但近些时间来人们对这项技术的兴趣正变得越来越大。在2002年，一篇发表在JournalofPowerSources杂志上文章将这项技术放到了聚光灯下面，那时一组研究人员认为铝空气电池是唯一可以代替汽油的选择。理论上来讲，这种电池的容量可以达到锂离子电池的40倍，而Phinergy则声称他们可以利用这项技术将电动汽车的行驶距离提升到1000英里（约1600千米）。
那么，我们还要多久才能用上这种电池呢？这种形式的能量产生模式有一个固有的缺陷。当铝和氧气发生反应产生能量时，可用的铝含量会随着放电而减少。另外，这种电池只有一个电流方向：从阳极到阴极。这就意味着这种电池是不能充电的，所以当电池的电用光之后，必须取下来回收更换新的电池。
这极大地限制了铝空气电池的大规模应用推广。但是对于电动汽车来说，如果服务站的基础设施配置好了，那么这项技术倒是一个非常不错的选择。密歇根大学电池实验室的GregLess说：“但在那之前，可充电电池，如锂离子电池才是最佳的选择。”对于小型电子设备而言，铝空气电池显然是不可取的，因为这就意味着我们需要经常更换电池。
关于铝空气电池的研究还在继续，有好几家公司都宣称自己将在未来几年内推出商业可用的铝空气电池。最近一家名为FujiPigment的公司声称自己已经在铝空气电池上取得了突破性的进展。该公司称找到了使用绝缘材料保护铝材料的方法，所以可以铝空气电池的再充电。
即使这一波铝空气电池的浪潮最后失败了，但研究人员也已经将铝看作是未来电池的基本材料之一。现在这是一个十分热门的领域，就在我写这篇文章的时候，斯坦福大学的一个实验室就宣布成功利用铝和石墨烯以及一种安全的液体电解质开发出了一种新电池。该研究小组称这种电池可以在1分钟内完全充好电，并且在被钻破的情况下还能继续保持工作。当然，这种电池还有很多工作要做。
微型电池
传统电池的另一个问题是它们的尺寸。尽管我们的设备上的每一个部件都在变小，但是电池却依然还是那么大。比如说，最新款的苹果笔记本电脑的厚度基本上都是电池撑起来的，尽管在设计上采用超高效的分层结构，但电池仍然占据了大量的空间。
这个问题不仅出现在笔记本上面。医疗植入式设备也需要能够植入到人体内的小型电池。空间应用设备对重量也有严格的要求，就是越轻越好。另外随着可穿戴设备的带来，对电池的敏感度也越来越高。
越来越多的研究开始集中到所谓的3D微电池上面。那么2D和3D有什么不同呢？你可以将2D看作是一个简单的平面，上面有两个电极，中间是电解质。他们可以做到非常薄，但是电池的功率也相对更低。
相比之下，3D则是在微观层面上增加电极的层数来增加电极的表面积。表面积增加后，离子从一个电极移动到另一个电极也更加容易，这就增加了电池的功率密度，提高了电池充放电的速率。
科学家们正在探索如果实现这项技术的实用化。在2013年，哈佛大学的一个团队使用3D打印技术和锂原料制造出了精度极高的阴极和阳极。
而不久前，一个来自美国伊利诺伊大学的团队发表了一篇论文，其中提到了一种利用全息光刻技术制造3D电池的方法。在这项技术中，超精确的光束被用来产生3D结构，即电极。全息光刻出现的时间比3D打印更早，所以更有机会实现这项技术的大规模制造。
但是，就像是所有的电池技术一样，在电池的功率密度和尺寸之间还有权衡。一项技术能难同时满足这两项要求，但这是研究人员正在努力试图办到的事情。如果他们的技术成功地实现了商业化，那么必然会产生巨大的影响。
伊利诺伊大学大学的这个团队的领导人WilliamKing教授告诉我们，目前这项技术面临的最大困难是如何实现商业化。“我们正在努力将这种电池的能量密度提升三倍以上，我们将使用新的、能量密度更高的材料。”他说，“关键的挑战还是在规模化生产上，但我们一直都在努力。”
电池的内部到底在发生着什么？
为什么我们实验成功的技术却很难实现规模化应用呢？很大程度上是因为我们其实并不清楚电池内部发生了什么。听起来似乎很简单，但这却是一个巨大的挑战，甚至是电池创新的最主要的障碍：我们并不能看到电池中分子层面上发生的事情。所以很多电池技术的开发实现听起来就像是一场意外。而当他们的发明者试图使用可控的方法重现相同的效果时，却遇到了麻烦。
为此我们采访了一位专注于研究电池内部现象的科学家MichaelToney，他现在在SLAC国家加速器实验室工作，在领导一个团队试图揭开电池内部工作细节的秘密，从而开发出大规模制造的工艺方法。
Toney和他的同事使用光谱成像和纳米级的X射线来观察电池内部发生的一切。Toney说该团队的终极目标是在原子尺度上观察充放电过程。但到目前为止，该团队还只能通过化学过程观察结果。
最后Toney说他们可能会开发一款软件来帮助人们了解自己的电池到底是如何工作的，而不只是像现在的电量的测试软件一样只靠估计。
目前正在实验室中开发的电池技术并不只有这么三种，从生物电池到形变电池，实验室的科学家们正在尝试各种各样的新方法。最后到底哪些技术能够获得成功，现在还没有人能够做出确定的预言。但希望这些技术能够尽早实现商业化生产，助力人类文明达到全新的高度。
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