電池革新技術(shù)遙不可及 未來著眼于納米材料

　　如果回顧一下蘋果公司（Apple）的iPhone或豐田（Toyota）普銳斯（Prius）混合動(dòng)力車從最初型號(hào)到現(xiàn)有版本的發(fā)展過程，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)技術(shù)行業(yè)一個(gè)常見的軌跡：性能翻倍提升，產(chǎn)品更精致，創(chuàng)造了無數(shù)就業(yè)崗位，甚至顛覆了整個(gè)行業(yè)。

　　例如，iPhone在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最大的理論下載速度已從2007年“2G”iPhone的1兆字節(jié)/秒上升至如今5s型號(hào)的300兆字節(jié)/秒。其顯示屏的像素密度增加了一倍多，攝像頭已從廉價(jià)的配件轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N實(shí)用的照相工具，而且其軟件能力要比iPhone誕生之時(shí)強(qiáng)大太多太多。

　　同樣，豐田的普銳斯混合動(dòng)力車從2000年的鄰家怪胎（以及明星彰顯其環(huán)保態(tài)度的配飾）搖身一變?yōu)槿毡竞图又葑顣充N的交通工具。當(dāng)前車型引擎的重量較最初型號(hào)輕了20%（總功率增加了20%），而且單次充電后行駛的里程更長(zhǎng)。有人會(huì)說，沒有普銳斯，就不會(huì)有如今的特斯拉電動(dòng)車（Tesla）。

　　然而在這些設(shè)備中，有一個(gè)組件這些年來一直沒有變化，那就是鋰離子電池。不管是在iPhone，還是普銳斯，甚至是特斯拉S車型，鋰電池用的還是1991 年索尼公司（Sony）推出這一產(chǎn)品時(shí)所用的材料。當(dāng)然，這并不是說人們沒有針對(duì)這種電池進(jìn)行過創(chuàng)新。設(shè)備制造商在充電效率、冷卻和控制進(jìn)入手機(jī)、汽車、筆記本和USB元件的電流流量方面做得越來越好，但這些電池的芯卻沒有怎么換過。即便是特斯拉計(jì)劃建造的50億美元超大型電池生產(chǎn)廠生產(chǎn)的仍是（如你所料）鋰電池組。

　　進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)于哪一種電池技術(shù)可能能夠取代鋰電池仍是眾說紛紜，甚至連這方面的謠言都是寥寥無幾。

　　為探究其原因，《財(cái)富》（Fortune）向致力于開發(fā)下一代電池的5名知名研究人員、一名行為經(jīng)濟(jì)學(xué)家和一名電池行業(yè)高管提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的問題：為什么電池技術(shù)的發(fā)展速度要比硬件慢如此之多？

　　接下來你便會(huì)發(fā)現(xiàn)，答案的一成與化學(xué)有關(guān)，一成與心理學(xué)有關(guān)，而兩成則與上述問題的反問有關(guān)：對(duì)于一項(xiàng)未經(jīng)過二十年發(fā)展的新電池技術(shù)，一旦裝上汽車，誰想成為首位駕駛該車的人？

　　當(dāng)今的電池技術(shù)：密度大、發(fā)熱量大、問題多

　　鋰離子電池技術(shù)在很多方面都是移動(dòng)電源的主力軍。

　　鋰的原子量是3，如果你還記得中學(xué)化學(xué)的話，這意味著它有三個(gè)質(zhì)子，非常輕，是除了氫和氦之外單位體積可填充密度最高的元素。芝加哥伊利諾伊州理工大學(xué) （IllinoisInstituteofTechnology）物理學(xué)教授卡洛？塞格雷表示，鋰的物理量為化學(xué)家們所熟知，我們幾乎掌握了鋰離子在電池中流動(dòng)的方式。

　　塞格雷說，“我認(rèn)為歸根結(jié)底，鋰如此好的原因在于，它非常輕，而且能夠輕易地穿透隔離膜。而且其產(chǎn)生的電壓是已知材料中最高的之一?！?/p>

　　鋰并不是鋰電池里的唯一材料，其中還混有錳（個(gè)人電子產(chǎn)品和交通工具）、磷酸鐵（高強(qiáng)度工作）和其他金屬。為了產(chǎn)生電壓，這種混合物會(huì)流經(jīng)另一種材料：石墨、鈦溶液、硅和不同形式的碳（依情況而定）。對(duì)于大多數(shù)在相對(duì)安全的環(huán)境中所使用的非工業(yè)設(shè)備來說，流經(jīng)石墨的是鋰錳氧化物，因?yàn)檫@種材料價(jià)格低廉，相對(duì)安全，而且密度高。

　　但是這一老產(chǎn)品也存在一些問題。這一進(jìn)程會(huì)在一個(gè)高密度空間內(nèi)產(chǎn)生熱量，需要采取一些冷卻措施。（例如，與特斯拉車身長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)冷卻設(shè)備擔(dān)負(fù)了大量的冷卻工作。）傳導(dǎo)鋰離子的電解液增加了電池的重量。電芯的容量在一段時(shí)間后就會(huì)下降。充電會(huì)讓鋰離子回流，但這一進(jìn)程可以更快一些。充滿電解質(zhì)的高密度鋰電池在發(fā)熱量超過一定程度之后有時(shí)會(huì)爆漿或爆炸，雖然這一情況很少見。

　　今后我們可能會(huì)使用空氣

　　IBM研究院（IBMResearch）科技部主任錢德拉塞卡爾·納拉延是電池500項(xiàng)目（Battery500Project）的成員。該項(xiàng)目的目標(biāo)是，開發(fā)能夠提供行駛500英里路程所需電量的電池。IBM公司自身并不會(huì)生產(chǎn)電池，而是與消費(fèi)類產(chǎn)品制造商開展合作，將這一技術(shù)帶到現(xiàn)實(shí)中。

　　經(jīng)過多年的努力之后，納拉延看到了鋰-空氣技術(shù)的前景，即用汽車自身補(bǔ)給的氧氣取代石墨和其他的金屬。這類電池可以變得更輕，更安全，而且供電時(shí)間也更長(zhǎng)。但是研發(fā)新的混合物，將它們制成新材料，并檢測(cè)其在數(shù)千輛汽車上的安全性，需要花費(fèi)非常漫長(zhǎng)的時(shí)間。

　　納拉延說：“目前沒有一個(gè)指導(dǎo)性原則顯示，我們能夠年復(fù)一年地獲得進(jìn)步，也沒有捷徑可以走。要得到這種范式，唯有創(chuàng)建一種全新的化學(xué)反應(yīng)，而這一點(diǎn)并非創(chuàng)新所能企及的?！?/p>

　　當(dāng)前，鋰-空氣電池必須克服堵塞、內(nèi)部腐蝕和穩(wěn)定性問題。即便空氣電池能夠順利地演變?yōu)橐环N可行產(chǎn)品，納拉延認(rèn)為，在今后，電池技術(shù)將不再是“通用型”?！袄纾瑢?duì)于電網(wǎng)存儲(chǔ)來說，它或許不是什么好技術(shù)。尤其是有尺寸要求的行業(yè)，我們或許很快將看到多種多樣的電池類型?！?/p>

　　當(dāng)前我們能做些什么：降低價(jià)格

　　凱特林大學(xué)（KetteringUniversity）的凱文白和周軒（音譯）在實(shí)驗(yàn)室中從事電池行業(yè)研究，但他們的談吐更像是買車人而不是實(shí)驗(yàn)室的書呆子。周軒表示，現(xiàn)今的混合動(dòng)力車存在多方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　周軒說：“目前，混合動(dòng)力的售價(jià)是每千瓦時(shí)500-600美元，但合理的價(jià)格應(yīng)該是200美元。而且冷卻系統(tǒng)的價(jià)格跟電池的價(jià)格是差不多的。如果汽車需要 6，000美元的電池，那么就需要6，000美元的冷卻系統(tǒng)。”此外，凱文白指出，這類電池的體積蠶食了本應(yīng)屬于后備箱或乘坐的空間。兩位科學(xué)家也認(rèn)為，電動(dòng)汽車不應(yīng)給人們帶來沉重的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。

　　但是誰也不知道，哪些現(xiàn)有材料才能構(gòu)造出最安全、發(fā)熱量最低和重量最輕的電池混合材料，而且其價(jià)格要比現(xiàn)有的產(chǎn)品便宜。

　　現(xiàn)今在助聽領(lǐng)域使用的鋅-空氣電池重新激起了人們的興趣，而且尤為重要的一點(diǎn)在于，鋅很容易獲取。鈉-空氣電池也是一樣，成本更低，而且組裝起來更容易，只是潛在功率趕不上鋰-空氣電池。人們還嘗試過用硅來取代石墨和固體碳，但是硅并不便宜?；蛘撸覀兛梢灾粚Ｗ⒂诟纳茖?shí)驗(yàn)室和摩托車使用的鋰-鐵電池的成本和性能。

　　凱文白表示，建造更大規(guī)模的電池廠、開發(fā)更好的電池管理工具以及更加智能的充電電網(wǎng)在很多方面要比等待一兩項(xiàng)新化合物獲得成功更為實(shí)在。

　　凱文白說：“我們實(shí)際上離使用全新電池的交通工具還很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。只有在新材料經(jīng)過10年的測(cè)試之后，汽車行業(yè)才能放心使用新材料?！彼硎?，人們至少要等到2020年才能看見使用鋅-空氣電池的四輪車輛，然后，人們需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能看到這一電池技術(shù)的成熟。

　　未來我們能做什么：納米工程材料

　　德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（A&MUniversity）教授、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（AmericanSocietyofMechanicalEngineers）能源和可持續(xù)性納米工程小組成員帕沙·穆克荷吉表示，現(xiàn)在還沒到放棄鋰離子電池的時(shí)候。我們可能仍會(huì)用它，但它將與我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中獲得新能力的材料混合使用。

　　納米工程師可能會(huì)對(duì)電池材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，以加速電池單元電壓的產(chǎn)生速度，并提升其轉(zhuǎn)換效率。電解質(zhì)攜帶鋰離子的方式可能會(huì)發(fā)生改變，以杜絕 “交通擁堵現(xiàn)象”，并縮短充電時(shí)間。人們可能會(huì)設(shè)計(jì)出更薄、更強(qiáng)大但伸縮依然自如的電池膜，這樣，即便電池受熱膨脹，也不會(huì)爆漿?；蛘咭恍囊灰忾_發(fā)能夠比碳、空氣或任何已知材料吸附更多鋰離子的材料。

　　穆克荷吉說：“我們需要詢問的最根本的問題在于，‘是否可以從頭再來？’。這就是必須解決的中尺度模型。我們是否能增加材料的寬容度，以滿足我們對(duì)于電池的訴求？”

　　與此同時(shí)：著眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)

　　一年前，伊利諾伊理工大學(xué)的塞格雷從美國能源部獲得了340萬美元的獎(jiǎng)金，用于開發(fā)汽車用“流體電池”。流體電池將其活性化合物儲(chǔ)存在外部?jī)?chǔ)罐中，然后流經(jīng)電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部。塞格雷的工作專注于開發(fā)具有足夠活性和能量的液體介質(zhì)，以抵消液體的重量劣勢(shì)。

　　流體電池或許可以應(yīng)用于汽車和電網(wǎng)，但卻無法適用于手機(jī)或筆記本。與其他的研究人員一樣，塞格雷深知，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)過程，除非研究人員能夠在偶然間發(fā)現(xiàn)幾種能用于電池的不同材料組合。與此同時(shí)，“對(duì)于大多數(shù)人來說，這是一件尤為痛苦的事情，因?yàn)閹啄赀^后，電量沒了，容量也下降了，然而電池供電的電子產(chǎn)品卻在不斷前進(jìn)?！?/p>