鋰離子電池是目前可充電電池的最佳選擇，但仍難以滿足當(dāng)今移動(dòng)世界的許多需求。一些研究機(jī)構(gòu)正在尋找超越鋰離子電池的新技術(shù)。
當(dāng)今的移動(dòng)世界離不開鋰離子電池，這是目前可充電電池的最佳選擇。去年，消費(fèi)者們購(gòu)買了 50億只鋰離子電池，用來(lái)給筆記本電腦、相機(jī)、手機(jī)和電動(dòng)汽車供電。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源存儲(chǔ)聯(lián)合研究中心( JCESR)的負(fù)責(zé)人喬治 ·克拉布特里( George Crabtree)說(shuō)，“這是有史以來(lái)最好的電池技術(shù)”。不過(guò)，克拉布特里的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此。
1991年，索尼公司推出第一款商業(yè)版鋰離子電池，與之相比，如今鋰離子電池的能量密度(單位質(zhì)量所存儲(chǔ)的能量)已經(jīng)是原來(lái)的兩倍多，而價(jià)格只有當(dāng)初的 1/10。不過(guò)，鋰離子電池的能量密度已經(jīng)接近極限，許多研究者認(rèn)為，對(duì)鋰離子電池的改進(jìn)，最多還能將能量密度再提高 30%。這意味著，鋰離子電池永遠(yuǎn)不能像一箱汽油那樣，讓電動(dòng)汽車連續(xù)行駛 800公里，也不能讓“電老虎”般的智能手機(jī)續(xù)航許多天。
2012年， JCESR從美國(guó)能源部爭(zhēng)取到 1.2億美元的資金，用于研究超越鋰離子電池的技術(shù)。據(jù)稱，他們期望研發(fā)出的電池，如果做成像現(xiàn)在電動(dòng)汽車中使用的商業(yè)電池那樣的尺寸，儲(chǔ)能將達(dá)到現(xiàn)在的 5倍，價(jià)格卻只有現(xiàn)在的 1/5，而這一切都要在 5年內(nèi)做到。這意味著，他們要在 2017年前，使電池的能量密度達(dá)到 400瓦時(shí) /千克( Wh/kg)。
克拉布特里說(shuō)，這個(gè)目標(biāo)“相當(dāng)激進(jìn)”。加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的資深電池研究專家杰夫 ·達(dá)恩( Jeff Dahn)直言道，這是“不可能實(shí)現(xiàn)的”。不過(guò)，達(dá)恩補(bǔ)充道， JCESR的研究目標(biāo)使人們將注意力集中到一些非常重要的技術(shù)方向上，這將有助于全世界發(fā)展可再生能源，比如存儲(chǔ)太陽(yáng)能，在夜間或雨天使用。而且，美國(guó)的 JCESR并不孤單。亞洲、美洲、歐洲的許多研究團(tuán)隊(duì)和公司都在尋找取代并超越鋰離子電池的新技術(shù)。
鋰-硫電池
2013年初，化學(xué)工程師埃爾頓 ·凱恩斯( Elton Cairns)認(rèn)為，自己研制出了一種新型化學(xué)電池，雖然還不太成熟，但極具潛力。他研制的硬幣大小的電池，在經(jīng)歷了幾個(gè)月的充放電后，依然狀態(tài)良好。到 2013年 7月，他的電池已在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷了 1500次充放電循環(huán)，而電池容量只損失了一半。這樣的性能，基本可以媲美最好的鋰離子電池了。
凱恩斯的電池基于鋰–硫( Li-S)技術(shù)，所使用的材料價(jià)格非常低廉，理論上，這種電池的能量密度是鋰離子電池的 5倍多。不過(guò)，研究人員懷疑，在實(shí)際應(yīng)用中，這種電池的能量密度可能只能達(dá)到鋰離子電池的兩倍。早在 40年前，就有人提出過(guò)鋰 –硫電池，但一直以來(lái)，研究人員都無(wú)法讓它的使用壽命超過(guò) 100次充放電循環(huán)。如今，很多人認(rèn)為，凱恩斯的電池技術(shù)最有可能在商業(yè)應(yīng)用上替代鋰離子電池。
不過(guò)，鋰和硫之間的反應(yīng)帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。鋰–硫電池在充放電時(shí)，可溶的鋰–硫化合物會(huì)滲入電解液，導(dǎo)致電極降解，從而使電池失去電荷，并最終壞掉。為了防止這樣的事情發(fā)生，凱恩斯使用了一些技巧，包括在硫中摻入石墨烯氧化物粘合劑，以及使用專門設(shè)計(jì)的不易溶解鋰和硫的電解液。納米技術(shù)和電解化學(xué)領(lǐng)域的一些新進(jìn)展使得這些技巧得以實(shí)現(xiàn)。凱恩斯預(yù)測(cè)，這種電池商品化之后，能量密度將可以達(dá)到 500 Wh/kg。他說(shuō)，其他一些實(shí)驗(yàn)室也得到了類似的結(jié)果。
一些研究者質(zhì)疑，學(xué)術(shù)界的認(rèn)同未必能轉(zhuǎn)換成商業(yè)上的成功。在實(shí)驗(yàn)室，研究人員通常使用少量硫和大量電解液，這樣比較易于研究，但不能制成高能量密度的電池。
至少有一家公司——英國(guó)Oxis 能源公司——看好鋰–硫電池的前景。該公司聲稱，它們已經(jīng)制造出可以充放電900 次的大型鋰-硫電池，并且正在與美國(guó)Lotus 工程公司合作，他們希望在2016年前開發(fā)出可用于電動(dòng)汽車的電池，能量密度將達(dá)到400 Wh/kg。
多價(jià)離子電池
一些研究者認(rèn)為，下一代電池應(yīng)該使用更重的元素，比如鎂。每個(gè)鋰離子只能攜帶一個(gè)電荷，而二價(jià)的鎂離子能攜帶兩個(gè)電荷，這意味著可以釋放的電能提高了一倍。不過(guò)，鎂也有自己的問(wèn)題。鋰離子能輕松通過(guò)電解液和電極，而攜帶兩個(gè)電荷的鎂離子移動(dòng)速度緩慢，就像是在黏稠的糖漿中穿行。
美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池研究人員彼得· 丘帕斯(Peter Chupas)正在與JCESR合作，他用高能X 射線轟擊各種電解液中的鎂，來(lái)研究鎂為什么會(huì)受到巨大的阻力。截至目前，他和同事發(fā)現(xiàn)，鎂離子能強(qiáng)烈吸引周邊溶液中的氧，從而吸引一大群溶劑分子，這使得鎂離子變得沉重。
美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家克里斯廷· 佩爾松(Kristin Persson)正在用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬潛在新型電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，她試圖找到一種更好的電極與電解液的組合，讓鎂離子可以更順暢地通過(guò)電解液。她說(shuō)，“我們要研究大約2000 種電解液，目前，我們正在逐個(gè)測(cè)試”。佩爾松和麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家赫布蘭德· 塞德(Gerbrand Ceder)成立了Pellion 技術(shù)公司，來(lái)研發(fā)這種高容量電池。但公司對(duì)其進(jìn)展三緘其口，目前只發(fā)表了一篇關(guān)于電極的研究論文。除此之外，包括豐田、LG、三星和日立在內(nèi)的各大電子產(chǎn)品公司，都在研發(fā)類似的電池，但這些公司也都很少透露相關(guān)進(jìn)展。
各家公司暗中較勁的同時(shí)，佩爾松也在繼續(xù)開展她的“電解液基因組”計(jì)劃。這種利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行篩選的方法，也有助于研究用其他“多價(jià)”金屬(multivalentmetals，即一個(gè)金屬離子帶有多個(gè)電荷，比如鋁和鈣)制造的電池。
氧電池
5年前，溫弗里德·維爾克(Winfried Wilcke)在美國(guó)加利福尼亞州圣何塞市的IBM 納米科學(xué)與技術(shù)部擔(dān)任負(fù)責(zé)人，他們啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，希望研發(fā)出可以讓電動(dòng)汽車連續(xù)行駛800 公里的電池。一開始，維爾克關(guān)注的是高能量密度電化學(xué)存儲(chǔ)的理論極限——鋰與氧氣的氧化反應(yīng)。與其他類型的電池相比，這種“會(huì)呼吸的”鋰–氧電池有巨大的重量?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渲幸环N主要反應(yīng)原料——氧氣，不必再裝載到電池中。理論上，鋰– 氧(Li-O)電池的能量密度可以媲美汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，比現(xiàn)今電動(dòng)汽車電池的能量密度高10 多倍。
維爾克說(shuō)，真正的問(wèn)題是錢，電動(dòng)汽車的電池成本在每千瓦時(shí)500 美元以上，“電動(dòng)汽車不被大眾接受的真正原因，不是能量密度，而是價(jià)格”。所以，維爾克現(xiàn)在更看好一種基于鈉的、更便宜的燃料電池。根據(jù)理論預(yù)測(cè)，鈉–氧(Na-O)電池的能量密度是鋰–氧電池的一半，但是，鈉比鋰更便宜。因此，維爾克滿懷希望地說(shuō)，鈉–氧電池的成本或許可以接近每千瓦時(shí)100美元，這正是JCESR 等研發(fā)機(jī)構(gòu)認(rèn)為消費(fèi)者能夠承擔(dān)得起的價(jià)格。
在此之前，德國(guó)吉森尤斯圖斯-李比希大學(xué)的于爾根 ·雅內(nèi)克( Jürgen Janek)和菲利普 ·阿德爾赫爾姆( Philipp Adelhelm)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的結(jié)果：鈉–氧電池的充電效率比鋰–氧電池更高，而且沒(méi)有復(fù)雜的副反應(yīng)。此外，鈉–氧電池還可以使用更便宜的電極和電解液。雅內(nèi)克說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)，他們的電池至少可以充放電 100次——在一項(xiàng)技術(shù)的早期時(shí)代，這已經(jīng)很不錯(cuò)了。化工業(yè)巨頭巴斯夫公司( BASF)正在與他們合作。
不過(guò)，也有人并不認(rèn)同這個(gè)方向，比如達(dá)恩。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于“會(huì)呼吸的”電池是否需要沉重的過(guò)濾裝置，以便從空氣中提取氧氣，而這將會(huì)減小甚至完全消除它們的重量?jī)?yōu)勢(shì)。達(dá)恩說(shuō)，“鈉–氧電池不過(guò)是新一輪的狂熱”，但維爾克愿意試一試。
其他技術(shù)
麻省理工學(xué)院的材料化學(xué)家唐納德 ·薩多韋( Donald Sadoway)認(rèn)為，未來(lái)的電池更像是一家冶煉廠。另外，研究人員也正在研發(fā)其他各式各樣的新電池，比如鋅–空氣電池和鈉離子電池。但大多數(shù)技術(shù)的電池成本，都比JCESR 的目標(biāo)價(jià)格——每千瓦時(shí)100 美元——高5 倍以上。還有一些研究小組正在研發(fā)不那么激進(jìn)的液流電池。
達(dá)恩說(shuō)，“這些新技術(shù)都還處于早期階段，不同團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的電池系統(tǒng)可謂千奇百怪，所有人都想知道如何延長(zhǎng)電池壽命，降低成本”。喬治·克拉布特里說(shuō)：“大家都在尋找超越鋰離子電池的系統(tǒng)，未來(lái)充滿機(jī)會(huì)，這個(gè)領(lǐng)域幾乎還是一片處女地。”
