技術(shù)發(fā)展到今天，我們對(duì)更好的電池的需求也越來越大。因?yàn)殡m然設(shè)備的計(jì)算能力和設(shè)備的使用領(lǐng)域都在不斷擴(kuò)大，但是電池的供電能力卻幾乎沒發(fā)生值得關(guān)注的變化。近段時(shí)間以來，新聞媒體都在樂此不疲地報(bào)告各種新型的電池技術(shù)突破，但是這些新技術(shù)中的大部分都很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化;就像人們不斷重復(fù)地那樣：在實(shí)驗(yàn)室中是一回事，找到批量化生產(chǎn)的具有成本的效益的生產(chǎn)方法又是另一回事。
但是電池的發(fā)展競(jìng)賽還在繼續(xù)：電動(dòng)汽車制造商正在尋找更便宜、更輕、更強(qiáng)大而且更持久的電池。電子設(shè)備制造商也在尋找更可靠、使用壽命更長(zhǎng)而且充電更快的電池。而可穿戴和醫(yī)療植入式設(shè)備的廠商則更傾向于更小巧、更長(zhǎng)續(xù)航的電池技術(shù)。而可再生能源企業(yè)也在尋找能夠穩(wěn)定充放電成千上萬次的電池技術(shù)。
在我們時(shí)常聽到的新電池技術(shù)中間，我們選出了三個(gè)最具有實(shí)用前景的電池技術(shù)。我們對(duì)這些技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間和未來可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。
固態(tài)電池
讓我們先從一個(gè)能夠避免鋰離子電池的危險(xiǎn)性的新興技術(shù)開始說起吧。這項(xiàng)技術(shù)被稱為固態(tài)電池技術(shù)，它有許多種形式，為了理解為什么這種電池為什么更加安全，我們可以先來看看為什么鋰電池會(huì)有自燃的風(fēng)險(xiǎn)。
大部分傳統(tǒng)的鋰電池都有兩個(gè)電極(陽極和陰極)，陰極和陽極之間是用來傳導(dǎo)鋰離子的液體電解質(zhì)。而鋰電池的主要問題就是這種電解質(zhì)是非常易燃的，如果鋰電池破損或者受到了重?fù)?，電池就可能起火，就可能出現(xiàn)下面的情況：
而固態(tài)電池中并沒有液體電解質(zhì)，它們使用的是一層其它材料來在兩個(gè)電極之間傳導(dǎo)離子和產(chǎn)生能量。
安全性只是固態(tài)電池技術(shù)的一個(gè)方面而已。因?yàn)楣虘B(tài)電池中沒有了液態(tài)電解質(zhì)，所以他們不需要額外的防護(hù)層，所以它們可以做到更輕更小。這對(duì)于汽車制造商來說是個(gè)十足的好消息。美國能源部高級(jí)先進(jìn)能源研究計(jì)劃局(ARPA-E)有多個(gè)固態(tài)電池開發(fā)項(xiàng)目，有的是開發(fā)固態(tài)的鋰離子電池，有的則是開發(fā)其他材料的固態(tài)電池。
在固態(tài)電池研究領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊是Sakti3公司，該公司的CEO是AnnMarieSastry?！堵槭±砉W(xué)院技術(shù)評(píng)論》的KevinBullis在一篇文章中對(duì)Sakti3和Sastry所做的工作進(jìn)行了描述，該公司目前關(guān)注的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池的規(guī)?；a(chǎn)。文章寫道：
“她也在開發(fā)有助于大規(guī)模生產(chǎn)的制造技術(shù)。‘如果你的總體目標(biāo)是改變?nèi)藗兊鸟{駛方式，你的標(biāo)準(zhǔn)就不能僅僅是最好的能量密度和更多的循環(huán)充電次數(shù)。’她說，‘最主要的目標(biāo)是在提供必要性能基礎(chǔ)上的耐受能力’。”
Sakti3的工作聽起來很令人興奮，但這家公司一直都對(duì)其技術(shù)秘而不宣，所以目前對(duì)該電池中使用的電解質(zhì)材料類型我們還不得而知，而當(dāng)然這些材料的類型將會(huì)在大規(guī)模的生產(chǎn)制造中對(duì)成本產(chǎn)生巨大的影響。但我們知道Sakti3已經(jīng)得到了包括通用公司在內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)投資，并且該公司早在去年就宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在鋰離子電池兩倍的能量密度。另一家固態(tài)電池公司QuantumScape則相對(duì)而言安靜得多，但有傳言說該公司也在進(jìn)行類似的技術(shù)研發(fā)工作。
那么，我們還要多久才能真正使用固態(tài)電池呢?就目前而言，實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化還為時(shí)尚早。電池技術(shù)的挑戰(zhàn)不只是電池中所應(yīng)用的電化學(xué)原理，真正需要突破的地方是實(shí)現(xiàn)工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，并且還要實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)電池更劃算的價(jià)格。
SteveLeVine在其新書ThePowerhouse中對(duì)電池創(chuàng)新的商業(yè)化過程進(jìn)行了深度挖掘。他用了數(shù)年時(shí)間對(duì)Envia公司進(jìn)行跟蹤調(diào)查，這家公司是一家電池領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，并最終成為了通用的陰極供應(yīng)商。然而最后交貨時(shí)，通用經(jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。Envia交付的電池達(dá)不到自己所宣稱的標(biāo)準(zhǔn)。最終通用結(jié)束了Envia的合同。
正如LeVine所解釋的那樣，目前電池技術(shù)中最令人振奮的并不是電池，而是制造工藝。“讓我振奮的是看到能夠突破制造成本限制的新電池技術(shù)出現(xiàn)。”他說，并指出美國能源部現(xiàn)在也在專注于生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新而不僅僅是電化學(xué)原理的革新，“我認(rèn)為那才是值得期待的地方。”
特斯拉建造中的超級(jí)工廠Gigafactory
甚至伊隆·馬斯克也在試圖解決這一問題。他的正在建設(shè)之中的Gigafactory試圖將整個(gè)電池制造流程納入到同一個(gè)工廠之中，這是一個(gè)巨大的賭注，不過看起來特斯拉相信自己能夠擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。請(qǐng)記住，這是為了并沒有那么突破性的電池技術(shù)。但這是關(guān)于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的游戲——甚至馬斯克也承受著工廠還沒建好可能技術(shù)就已經(jīng)過時(shí)了的批評(píng)。
鋁空氣電池
盡管鋰是電池材料之王，但是也有人在做其它嘗試。因?yàn)槭聦?shí)上鋰的開采相對(duì)較為困難，而且在電子釋放性能上還有一些材料的表現(xiàn)更好。
一個(gè)名為Phinergy的以色列公司和其它競(jìng)爭(zhēng)者則在最近幾年里正在研究一種完全不需要的鋰的電池技術(shù)：鋁空氣電池。理論上而言，這種電池可以在幾分鐘內(nèi)充好電。在這種新型的電池中，其中的一個(gè)電極是鋁板，而另一個(gè)電極則是氧氣。準(zhǔn)確地說是氧和水電解質(zhì)。當(dāng)氧與鋁板發(fā)生交互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生能量。
鋁空氣電池已經(jīng)出現(xiàn)了很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但近些時(shí)間來人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣正變得越來越大。在2002年，一篇發(fā)表在JournalofPowerSources雜志上文章將這項(xiàng)技術(shù)放到了聚光燈下面，那時(shí)一組研究人員認(rèn)為鋁空氣電池是唯一可以代替汽油的選擇。理論上來講，這種電池的容量可以達(dá)到鋰離子電池的40倍，而Phinergy則聲稱他們可以利用這項(xiàng)技術(shù)將電動(dòng)汽車的行駛距離提升到1000英里(約1600千米)。
那么，我們還要多久才能用上這種電池呢?這種形式的能量產(chǎn)生模式有一個(gè)固有的缺陷。當(dāng)鋁和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生能量時(shí)，可用的鋁含量會(huì)隨著放電而減少。另外，這種電池只有一個(gè)電流方向：從陽極到陰極。這就意味著這種電池是不能充電的，所以當(dāng)電池的電用光之后，必須取下來回收更換新的電池。
這極大地限制了鋁空氣電池的大規(guī)模應(yīng)用推廣。但是對(duì)于電動(dòng)汽車來說，如果服務(wù)站的基礎(chǔ)設(shè)施配置好了，那么這項(xiàng)技術(shù)倒是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。密歇根大學(xué)電池實(shí)驗(yàn)室的GregLess說：“但在那之前，可充電電池，如鋰離子電池才是最佳的選擇。”對(duì)于小型電子設(shè)備而言，鋁空氣電池顯然是不可取的，因?yàn)檫@就意味著我們需要經(jīng)常更換電池。
關(guān)于鋁空氣電池的研究還在繼續(xù)，有好幾家公司都宣稱自己將在未來幾年內(nèi)推出商業(yè)可用的鋁空氣電池。最近一家名為FujiPigment的公司聲稱自己已經(jīng)在鋁空氣電池上取得了突破性的進(jìn)展。該公司稱找到了使用絕緣材料保護(hù)鋁材料的方法，所以可以鋁空氣電池的再充電。
即使這一波鋁空氣電池的浪潮最后失敗了，但研究人員也已經(jīng)將鋁看作是未來電池的基本材料之一。現(xiàn)在這是一個(gè)十分熱門的領(lǐng)域，就在我寫這篇文章的時(shí)候，斯坦福大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室就宣布成功利用鋁和石墨烯以及一種安全的液體電解質(zhì)開發(fā)出了一種新電池。該研究小組稱這種電池可以在1分鐘內(nèi)完全充好電，并且在被鉆破的情況下還能繼續(xù)保持工作。當(dāng)然，這種電池還有很多工作要做。
微型電池
傳統(tǒng)電池的另一個(gè)問題是它們的尺寸。盡管我們的設(shè)備上的每一個(gè)部件都在變小，但是電池卻依然還是那么大。比如說，最新款的蘋果筆記本電腦的厚度基本上都是電池?fù)纹饋淼?，盡管在設(shè)計(jì)上采用超高效的分層結(jié)構(gòu)，但電池仍然占據(jù)了大量的空間。
這個(gè)問題不僅出現(xiàn)在筆記本上面。醫(yī)療植入式設(shè)備也需要能夠植入到人體內(nèi)的小型電池。空間應(yīng)用設(shè)備對(duì)重量也有嚴(yán)格的要求，就是越輕越好。另外隨著可穿戴設(shè)備的帶來，對(duì)電池的敏感度也越來越高。
越來越多的研究開始集中到所謂的3D微電池上面。那么2D和3D有什么不同呢?你可以將2D看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的平面，上面有兩個(gè)電極，中間是電解質(zhì)。他們可以做到非常薄，但是電池的功率也相對(duì)更低。
相比之下，3D則是在微觀層面上增加電極的層數(shù)來增加電極的表面積。表面積增加后，離子從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極也更加容易，這就增加了電池的功率密度，提高了電池充放電的速率。
科學(xué)家們正在探索如果實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化。在2013年，哈佛大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用3D打印技術(shù)和鋰原料制造出了精度極高的陰極和陽極。
而不久前，一個(gè)來自美國伊利諾伊大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文，其中提到了一種利用全息光刻技術(shù)制造3D電池的方法。在這項(xiàng)技術(shù)中，超精確的光束被用來產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)，即電極。全息光刻出現(xiàn)的時(shí)間比3D打印更早，所以更有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模制造。
但是，就像是所有的電池技術(shù)一樣，在電池的功率密度和尺寸之間還有權(quán)衡。一項(xiàng)技術(shù)能難同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求，但這是研究人員正在努力試圖辦到的事情。如果他們的技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，那么必然會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
伊利諾伊大學(xué)大學(xué)的這個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人WilliamKing教授告訴我們，目前這項(xiàng)技術(shù)面臨的最大困難是如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。“我們正在努力將這種電池的能量密度提升三倍以上，我們將使用新的、能量密度更高的材料。”他說，“關(guān)鍵的挑戰(zhàn)還是在規(guī)?；a(chǎn)上，但我們一直都在努力。”
電池的內(nèi)部到底在發(fā)生著什么?
為什么我們實(shí)驗(yàn)成功的技術(shù)卻很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用呢?很大程度上是因?yàn)槲覀兤鋵?shí)并不清楚電池內(nèi)部發(fā)生了什么。聽起來似乎很簡(jiǎn)單，但這卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，甚至是電池創(chuàng)新的最主要的障礙：我們并不能看到電池中分子層面上發(fā)生的事情。所以很多電池技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)聽起來就像是一場(chǎng)意外。而當(dāng)他們的發(fā)明者試圖使用可控的方法重現(xiàn)相同的效果時(shí)，卻遇到了麻煩。
為此我們采訪了一位專注于研究電池內(nèi)部現(xiàn)象的科學(xué)家MichaelToney，他現(xiàn)在在SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室工作，在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)團(tuán)隊(duì)試圖揭開電池內(nèi)部工作細(xì)節(jié)的秘密，從而開發(fā)出大規(guī)模制造的工藝方法。
Toney和他的同事使用光譜成像和納米級(jí)的X射線來觀察電池內(nèi)部發(fā)生的一切。Toney說該團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)是在原子尺度上觀察充放電過程。但到目前為止，該團(tuán)隊(duì)還只能通過化學(xué)過程觀察結(jié)果。
最后Toney說他們可能會(huì)開發(fā)一款軟件來幫助人們了解自己的電池到底是如何工作的，而不只是像現(xiàn)在的電量的測(cè)試軟件一樣只靠估計(jì)。
目前正在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的電池技術(shù)并不只有這么三種，從生物電池到形變電池，實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在嘗試各種各樣的新方法。最后到底哪些技術(shù)能夠獲得成功，現(xiàn)在還沒有人能夠做出確定的預(yù)言。但希望這些技術(shù)能夠盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，助力人類文明達(dá)到全新的高度。