锂电池如何挑战大容量

　　我们正在展望一个广泛利用清洁能源的新时代。作为这个时代的标志性场景之一，人们希望看到满街跑着的都是类似特斯拉电动车这样的新型轿车，它不再需要汽油，而是用蓄满了电的锂电池驱动。到那时候，遍布道路两旁的加油站也将会被充电站所取代。最新的消息是，上海市已经宣布对特斯拉电动车实行免牌照上牌政策，并支持他们更快地在中国建设超级充电站。

　　然而，当你意识到电动车使用的电池和你手机里装着的电池并无本质区别，令人欢欣鼓舞的光明远景可能就要盖上一朵乌云了。手机党经常苦恼的就是电池的续航能力。许多人的手机早上充满，下午见底，一天必须充一次。笔记本电脑同样有这个问题，几个小时就可能电量告罄。电动车没开多远就“趴窝”，需要频繁充电，这是它的实用性备受质疑的焦点。特斯拉唯一投放市场的ModelS型电动车，最高配置的车型宣称一次充满电后可以行驶480公里，已经是很了不起的成绩了。

　　为什么电池“不耐用”？在一定的空间里，物质所能储存能量的大小被称作“能量密度”。从能量密度的排位来看，电池几乎垫底。以每千克产生的能量作为指标，我们日常使用的汽油能达到50兆焦耳，而锂电池的平均水平还不到1兆焦耳。其他类型的电池同样在极低的水准徘徊。显然，我们不可能把电池的体积做得无限大；为了提升电池的容量，只能着眼于提高电池的能量密度，但是困难重重。这项技术到底难在哪里？记者就此采访了浙江大学化学系副教授刘润，以我们常用的锂离子电池（简称锂电池）为例，解剖电池内部构造的秘密。

　　电解液很重要

　　电池之所以能够提供能量，是因为发生了电子的转移。在电池接到一个电路里，合上开关，电流就通了。这时，电子就会从负极跑出来，经过电路流到正极。在这个过程中，电子会做功，来支撑你的手机运转，或者驱动特斯拉电动车。

　　锂电池的电子是由锂提供的。那么，在电池里装满了锂，能量密度不就上去了吗？可惜的是，为了让锂离子电池具备可充电的功能，它的内部构造必须以牺牲能量密度为代价。刘润指出，锂电池的内部构造包括电解液、负极材料、正极材料和隔膜等，每一样都有其专门的工艺需求，发挥独特的功能，不可或缺。这种构造限制了锂电池能量密度的提升。

　　首先，是电解液，它是电池里不可缺少的运输管道。“电池放电的时候，锂原子失去电子，变成了锂离子，这时它要从电池的一极跑到另一极去，到了充电的时候再跑回来。”刘润说。锂离子在电池两极的来去构成了锂电池循环使用的关键，而电解液保证了它的旅途自由通畅。电解液就像河水，锂离子就像鱼。如果河床干了，鱼到不了对岸，锂电池就无法正常工作。

　　电解液的奇妙之处还在于，它只会运载锂离子，而不会运载电子，这就确保了电池只有在电路连通的时候才会放电。同时，依赖电解质，锂离子的运动有序而明确，使电子总是沿着一个方向移动，这样才形成了电流。

　　正负极求稳定

　　电解液虽然不提供任何能量，并且占的分量还不小，但是锂电池里绝少不了它。那么，以石墨为主的负极材料为什么也不能少呢？石墨就是做铅笔芯的材料，也不负责提供电子。刘润说，这是为了保证充电的时候不出问题。

　　充电时，锂离子从正极跳入电解液，游回负极，在那里得到电子变成锂原子聚集起来，准备下一次放电。但是，锂本身是电子的良好导体，后来的锂离子可能还没到达负极，就从已经变身为锂原子的前辈那里得到了电子。这样，锂原子就可能像杂草一样在电池里面疯长，并出现晶体。这个过程就叫做“析晶”。野蛮生长的锂晶体最终会刺穿隔膜，使电池短路报废。

　　为了解决这个麻烦，科学家用石墨制成负极材料，利用其表面的空隙，就像一个个小房间，让锂原子安稳地待在里面，彼此不发生作用。这样一来，锂原子安分了，但是电池的能量密度就又下降了。

　　类似的道理也适用于电池的正极，为了维持电池的稳定有序，正极材料也经过特殊设计，充电的时候不是所有的锂离子都会游回负极，大约有近一半的锂离子会留下来，这也削弱了电池的能量密度。

　　大容量存挑战

　　客观地看，锂电池体积小、分量轻、寿命长、成本低，又安全、又环保，较短的充电时间就能换来较长的使用时间……已经是人类目前找到的极为优质的电池。但是，科学家总是精益求精。刘润说，改良的关键，是寻找更优质的正极和负极材料，来提升电池的能量密度。

　　负极材料可能的替代品有锂硅合金等，其能量密度比石墨高近十倍。找到更稳定的正极材料则显得更加重要。现在人们主要用的是钴酸锂，这种材料很昂贵，而稳定性和能量密度则不尽如人意。科学家正在研究是否有可能用铁基或锰基的氧化物来代替它。

　　在可预见的未来，我们有可能获得更大容量的电池吗？科学家还是围绕锂来下功夫。因为锂参与反应的电子比例高，金属锂自身的能量密度大。锂硫电池和锂空气电池都存在理论上的可能性，它们是电池，却可以提供像汽油燃料一样丰沛的能量。不过，实际的开发推广仍然面对诸多挑战。

　　看来，对电动车感兴趣的你，还是需要暂时接受跑上一阵子就要充电的现实。纽约的科学家最近有一项新发明，把太阳能充电板做成窨井盖的模样，让电动车随时可以停在路面上充电。对于特斯拉来说，这可是个好消息，不是吗。