鋰電池，挑戰容量

　　電解液很重要
　　電池之所以能夠提供能量，是因為發生了電子的轉移。在電池接到一個電路里，合上開關，電流就通了。這時，電子就會從負極跑出來，經過電路流到正極。在這個過程中，電子會做功，來支撐你的手機運轉，或者驅動特斯拉電動車。
　　鋰電池的電子是由鋰提供的。那么，在電池里裝滿了鋰，能量密度不就上去了嗎？可惜的是，為了讓鋰離子電池具備可充電的功能，它的內部構造必須以犧牲能量密度為代價。劉潤指出，鋰電池的內部構造包括電解液、負極材料、正極材料和隔膜等，每一樣都有其專門的工藝需求，發揮獨特的功能，不可或缺。這種構造限制了鋰電池能量密度的提升。
　　首先，是電解液，它是電池里不可缺少的運輸管道。“電池放電的時候，鋰原子失去電子，變成了鋰離子，這時它要從電池的一極跑到另一極去，到了充電的時候再跑回來。”劉潤說。鋰離子在電池兩極的來去構成了鋰電池循環使用的關鍵，而電解液保證了它的旅途自由通暢。電解液就像河水，鋰離子就像魚。如果河床干了，魚到不了對岸，鋰電池就無法正常工作。
　　電解液的奇妙之處還在于，它只會運載鋰離子，而不會運載電子，這就確保了電池只有在電路連通的時候才會放電。同時，依賴電解質，鋰離子的運動有序而明確，使電子總是沿著一個方向移動，這樣才形成了電流。
　　正負極求穩定
　　電解液雖然不提供任何能量，并且占的分量還不小，但是鋰電池里絕少不了它。那么，以石墨為主的負極材料為什么也不能少呢？石墨就是做鉛筆芯的材料，也不負責提供電子。劉潤說，這是為了保證充電的時候不出問題。
　　充電時，鋰離子從正極跳入電解液，游回負極，在那里得到電子變成鋰原子聚集起來，準備下一次放電。但是，鋰本身是電子的良好導體，后來的鋰離子可能還沒到達負極，就從已經變身為鋰原子的前輩那里得到了電子。這樣，鋰原子就可能像雜草一樣在電池里面瘋長，并出現晶體。這個過程就叫做“析晶”。野蠻生長的鋰晶體最終會刺穿隔膜，使電池短路報廢。
　　為了解決這個麻煩，科學家用石墨制成負極材料，利用其表面的空隙，就像一個個小房間，讓鋰原子安穩地待在里面，彼此不發生作用。這樣一來，鋰原子安分了，但是電池的能量密度就又下降了。
　　類似的道理也適用于電池的正極，為了維持電池的穩定有序，正極材料也經過特殊設計，充電的時候不是所有的鋰離子都會游回負極，大約有近一半的鋰離子會留下來，這也削弱了電池的能量密度。
　　大容量存挑戰
　　客觀地看，鋰電池體積小、分量輕、壽命長、成本低，又安全、又環保，較短的充電時間就能換來較長的使用時間……已經是人類目前找到的極為優質的電池。但是，科學家總是精益求精。劉潤說，改良的關鍵，是尋找更優質的正極和負極材料，來提升電池的能量密度。
　　負極材料可能的替代品有鋰硅合金等，其能量密度比石墨高近十倍。找到更穩定的正極材料則顯得更加重要。現在人們主要用的是鈷酸鋰，這種材料很昂貴，而穩定性和能量密度則不盡如人意。科學家正在研究是否有可能用鐵基或錳基的氧化物來代替它。
　　在可預見的未來，我們有可能獲得更大容量的電池嗎？科學家還是圍繞鋰來下功夫。因為鋰參與反應的電子比例高，金屬鋰自身的能量密度大。鋰硫電池和鋰空氣電池都存在理論上的可能性，它們是電池，卻可以提供像汽油燃料一樣豐沛的能量。不過，實際的開發推廣仍然面對諸多挑戰。
　　看來，對電動車感興趣的你，還是需要暫時接受跑上一陣子就要充電的現實。紐約的科學家最近有一項新發明，把太陽能充電板做成窨井蓋的模樣，讓電動車隨時可以停在路面上充電。對于特斯拉來說，這可是個好消息，不是嗎。