不可思議的新電池

在各種電子設備快速發(fā)展的同時，電池技術(shù)的發(fā)展卻完全跟不上步伐。智能手機的電池能夠支撐一天已經(jīng)是難能可貴的了，移動電腦需要花費續(xù)航時間的一半時間來充電，而被視為節(jié)能環(huán)保先鋒的電動車，大部分時間需要待在車庫充電。按照摩爾定律，電腦設備的性能每兩年翻一翻，然而，電池的性能每年提升只有約7%左右。看到這一數(shù)字，大家或許會疑惑不解，很明顯，新的智能手機續(xù)航時間與此前的設備相比大有提升，那為什么只是7%呢？實際上，新一代移動設備續(xù)航時間的提升，完全依靠處理器性能和節(jié)能技術(shù)的提升，和電池技術(shù)的關(guān)系實在不大。

目前，憑借低重量和高能量密度的特點，鋰離子電池主導市場，然而，現(xiàn)有電池技術(shù)已經(jīng)走入了死胡同。幸運的是，新一代的鋰離子電池基本上已經(jīng)可以開始投入市場，它們存儲能量的材料同樣是鋰，但是能量密度可以提升10倍（詳見本文后面的介紹）。

更好的電池新材料

除此之外，研究人員也已經(jīng)開始對其他材料和其他類型的電池進行研究，因為鋰的能量密度實在是差強人意，其他的解決方案更好并且更便宜。而大自然也為我們提供了高端電池的最佳藍圖，研究人員已經(jīng)開發(fā)了第一種有機的能源存儲系統(tǒng)，不過，生物電池的真正應用起碼會是10年以后的事情了（詳見題圖和本文后面的介紹），倒是通過振動和摩擦力產(chǎn)生能量的技術(shù)，可能會很快來到我們身邊（詳見本文后面的介紹）。

優(yōu)化手機電池

根據(jù)市場研究公司Gartner的統(tǒng)計，今年售出的移動設備已經(jīng)超過20億個，而這些設備中幾乎每一個都包含一個鋰離子電池。因為鋰離子電池很輕，所以在過去的幾年鋰離子電池已經(jīng)成為了移動設備的標準配備。然而，鋰離子電池的能量密度僅有150Wh/Kg～200Wh/Kg，只能達到理論上鋰所能實現(xiàn)能量密度的1/10。導致這一問題的主要原因是材料：鋰離子電池通過鋰離子的移動實現(xiàn)充電或放電，在充電時，帶正電的離子從陰極（電極中的正極）通過電解質(zhì)溶液移動到陽極（電極中的負極），在那里鋰離子插入石墨層并吸收充電電流的電子。放電時，鋰離子返回到陰極，釋放電子進入電路，在陰極它們將與金屬（通常是鈷）和氧結(jié)合。鋰離子電池的存儲容量取決于多少鋰離子可以被置入石墨層之間，硅是可以更有效地在石墨中存儲鋰的材料。相比之下，6個碳原子才可以綁定1個鋰離子，而1個硅原子就可以捕獲4個鋰離子。

硅增加了功率密度

當石墨層之間摻入硅時存儲密度將急劇增加，然而，當它與鋰結(jié)合后將擴大到約3～4倍，經(jīng)過幾個充電周期后將會對石墨層造成破壞。不過，由斯坦福大學的科學家建立的Amprius公司已經(jīng)解決了這個問題。依靠Google的埃里克·施密特和諾貝爾獎得主史蒂芬楚（曾任美國能源部長）的支持，2013年Amprius研發(fā)的電池已經(jīng)開始在部分移動設備上投入使用，Amprius通過3種方法來解決石墨問題，第一個是使用多孔硅，多孔硅就好像是一塊海綿，在與鋰結(jié)合時它幾乎不變大，自然也就不會有影響石墨層完整性的問題。使用多孔硅的Amprius電池可存儲的能量比普通的電池高50%，可以達到280Wh/Kg。

另一個方法是使用由硅制成的納米管，其存儲能力比多孔硅更強。使用納米管的原型充電容量比使用多孔硅的電池差不多翻了一倍，達到350Wh/Kg。不過，海綿狀的納米管必須覆蓋石墨，否則，硅將與電解質(zhì)溶液起反應，隨著時間的推移將分解。斯坦福大學的研究人員想出了第三種方法來解決這一問題：在碳外殼中插入硅顆粒，由于碳外殼中存在空間，因而，當硅顆粒與鋰結(jié)合時，并不會破壞外殼。采用這種技術(shù)的原型在1 000次充放電過程中容量只下降了3%，比以往所有的解決方案都好。

比鋰離子更強大的電池

電池的效能與化學物質(zhì)的能量密度直接相關(guān)，鋰硫或金屬和空氣等許多材料的組合比現(xiàn)有的材料要好得多。鋰硫電池改進了鋰離子電池的陰極，硫在陰極可以和硅一樣吸收更多的鋰，實現(xiàn)高達350Wh/Kg的能量密度。目前開發(fā)的鋰硫電池原型已經(jīng)超過了鋰離子電池的能量密度，并且它們還遠沒有達到自己的極限。兩個問題影響了鋰硫電池的效能而使其無法達到理論上的能量密度：實踐中，如果在陽極上單純使用鋰是很困難的，因為它會與電解質(zhì)發(fā)生反應。而硫也是一樣，放電反應的中間產(chǎn)物會大量溶解于電解質(zhì)中，大量的聚硫化鋰溶解并擴散于電解質(zhì)中會導致正極活性物質(zhì)的流失，從而降低電池的循環(huán)壽命，這樣的電池再好也只能夠持續(xù)幾個充電周期。

不過，德國弗勞恩霍夫的研究團隊已經(jīng)找到了保護硫的方法，他們通過遮蓋碳涂層的方法，保護硫和陽極，所設計的原型目前可以持續(xù)2 000個充電周期。研究人員預計，2020年，能量密度高達600Wh/Kg的鋰硫電池將可以投放市場，能量密度是目前鋰離子電池能量密度的3倍。由美國加利福尼亞伯克利大學開發(fā)的鋰硫電池也同樣達到了這一效能。伯克利大學的研究人員在陰極上，將碳化合物石墨烯和沉積的硫覆以CTAB（十六烷基三甲基溴化銨），當鋰被同化后，硫擴大75%，CTAB仍然可以保持不變。此外，研究者們還開發(fā)了不與鋰發(fā)生反應的電解質(zhì)，這種電池可以在能量密度高達500Wh/Kg的情況下支持1 500次的充電周期。

通過金屬和空氣儲存能量

目前，鋰離子電池必須是氣密的，否則鋰將與空氣中的氧產(chǎn)生反應。而通過金屬和空氣儲存能量的金屬空氣電池能夠利用該反應：在放電過程中，陽極的金屬原子與空氣中的氧發(fā)生反應放出電子，然后它們以離子的形式通過電解質(zhì)遷移到陰極。其能量密度可以高達1 100Wh/Kg，輕松超越鋰離子電池。鋅空氣電池已經(jīng)存在了幾十年，但在放電過程中的鋅會出現(xiàn)問題。為了防止這種情況的發(fā)生，在金屬空氣電池中，氧氣必須在充電過程中從陰極處逸出，使鋅再次形成金屬離子。此外，這將需要一個類似氫氧化鉀之類的特殊催化劑，保護鋅電極使其不會被不慎氧化。

普通的鋅空氣電池已經(jīng)具有媲美鋰離子電池的能量密度，目前，類似的電池已經(jīng)開始使用，例如在一些助聽器上。此外，也有公司正通過類似的技術(shù)開發(fā)高分子催化劑的可印刷電池，對于類似的小型設備，鋅空氣電池是非常適合的，因為它非常靈活。但是由于鋅空氣電池需要恒定地進行空氣交換，所以它并不是太適合移動電腦。不過，它們卻非常適合應用于電動車，因為它們不包含任何易燃物質(zhì)。而且鋅空氣電池存儲的能量幾十年也幾乎不怎么流失，因而，它們也適合應用于智能電網(wǎng)，美國EOS儲能公司已經(jīng)準備在2014年推出此類存儲設備。

利用大自然的力量

目前市場上仍然只有固體材料制作的電池，不過，長期以來液體電池的研究從未間斷：兩種溶解的金屬鹽存儲于兩個相鄰的容器，它們通過水泵等方式運動并通過滲透膜進行接觸，離子交換從而使電池放電，并可以通過直接更換金屬鹽溶解液的方式進行充電。這種特殊的電池對于電動車特別有意義，因為它可以像加油一樣地快速完成充電。加油的過程就是置換金屬鹽溶解液的過程，換上新的金屬鹽溶解液，電池就充滿了電，而更換下來的液體可以重新進行還原處理。在日內(nèi)瓦車展上亮相的電動車Quant e使用的就是這種類似的電池，它配備兩個容量高達400L的電池倉，分別存儲兩種不同的電池液，它的重量達兩噸，但里程可以高達600Km。許多人估計Quant e可能永遠不會量產(chǎn)，因為液體電池的電池液通常含有昂貴并且有毒的物質(zhì)，例如釩，另外它還缺少一個強大的滲透膜。

液體電池的問題目前只有在實驗室里可以解決，在麻省理工學院，已經(jīng)研究出一種不需要膜的液體電池，電池的兩種液體在進行離子交換的過程中不需要混合，正、負極之間不需要隔膜，所以也就不存在容易被反應生成物氫溴酸腐蝕的問題，在這種情況下，釩液體電池的能量密度可以再次加倍。

生物電池勝過其他方案

有機材料非常適合作為能量載體，它們的價格合理，并且通常不具有毒性。來自哈佛大學的研究人員已成功開發(fā)出一種通過蒽醌-2，6-二磺酸鈉（Anthraquinone-2，6-Disulfonic Acid Disodium Salt，簡稱AQDS）存儲能量的液體電池，AQDS是一種從大黃中提取的天然產(chǎn)品。不過，電池并不完全是有機材料，它還需要溴，這種生物電池的能量密度高達6 000W/m2，比釩液體電池（800W/m2）還要強大。并且其成本明顯降低，釩的成本高達每千瓦時80歐元，而AQDS的成本只需27歐元。目前，還不清楚生物電池是否能夠支持數(shù)千次充電周期，但它已經(jīng)成功地維持數(shù)百個充電周期。

和大黃電池一樣，美國弗吉尼亞理工大學的糖空氣電池同樣強大，糖空氣電池達到目前鋰離子電池的10倍能量密度。麥芽糊精制成的陽極漂浮一系列不同的酶中，并依次分解釋放電子。雖然該研究的負責人預言，他們的糖電池很可能在3年內(nèi)被應用到移動設備上，但是以往類似的生物電池預測已經(jīng)證明這通常是不切實際的。索尼在7年前也曾經(jīng)宣布了一項生物電池的應用，但是至今沒有任何進展。生物電池的歷史經(jīng)驗告訴我們，生物電池需要很長的開發(fā)時間，很可能10年后我們也未必有能力將大自然的力量運用于電池中。

沒有充電插座

未來，電力不僅是來自電池和插座，我們即使在曠野之中也能夠獲得電能供智能手機使用。美國和中國的材料研究人員研制出的微小發(fā)電機，能夠?qū)⒆钗⑷醯恼駝愚D(zhuǎn)化為電能。該發(fā)電機可以通過一種PVDF（聚偏二氟乙烯）壓電聚合物，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。這種塑料通常用于密封涂層和過濾器，可以在揚聲器和麥克風上使用。用于發(fā)電機的制造，PVDF化合物中將夾雜氧化鋅的顆粒，然后使用鹽酸將氧化鋅腐蝕掉。這將留下孔洞，成為一個柔性材料制成的海綿狀結(jié)構(gòu)，可以極為靈敏地對所有類型的振動做出反應。

在制造過程中，得到的PVDF膜兩面可以加上薄銅箔作為電極，然后這種納米發(fā)電機可以被安裝在智能手機上，我們可以將其放在副駕駛座位上，然后駕駛汽車時就可以自動為智能手機充電。目前，該發(fā)動機的原型在40Hz的振動下峰值可以達到11V和9.8μA。PVDF納米發(fā)電機的另一個優(yōu)點是，所用的材料都是廉價并且無毒的。理論上，PVDF納米發(fā)電機甚至可以植入人體內(nèi)作為動力源。除此之外，納米發(fā)電機還可以作用于微型傳感器，成為一種從無線電波獲得能量的充電裝置。

從無線電波獲取能量

據(jù)專家預測，到2020年將有超過500億微型設備需要相互通信，它們需要能源，但對于安裝在路邊或者野外的傳感器來說如何充電是個問題。為此，美國華盛頓大學研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種基于無線電的通訊系統(tǒng)，它能夠從傳送電視和移動無線電信號中獲取能量。雖然獲取的能量很低，但是用于發(fā)送消息是足夠用的。在實際的測試中，該系統(tǒng)使用電視臺信號燈能量可以傳送多達每秒1 000位的數(shù)據(jù)，輻射范圍從800m～11Km。

我們也可以將自己每一個身體運動的些許能量轉(zhuǎn)換成電能，自行車上通過腳踏產(chǎn)生電力的發(fā)電機就是最好的例子。如果我們也可以利用這種能量來為智能手機充電，那就非常好了。為此，美國佐治亞理工學院的研究人員設計了一個發(fā)電機，可以通過摩擦產(chǎn)生電力。這個發(fā)電機有4個扁平的圓盤重疊在一起，其中3個被永久固定，看起來像層層疊放的蛋糕。電極安裝在圓盤的頂部，當圓盤移動時，轉(zhuǎn)子磨擦位于下方的鍍金片產(chǎn)生電壓。因此，該發(fā)電機可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的交流電力，電壓高達1.5W。整個裝置體積非常小，直徑為100mm，體積600mm3，重量只有1.1g，適合放進口袋里。未來，我們將可以隨身攜帶一個動力源。