等待電池革命

陳榮

研究人員正在尋找更安全、能量密度更高的材料，以換掉鋰電池。

2014年9月，蘋果公司發布了新一代iPhone，和此前歷代產品一樣，這款最新的智能設備，處理器和圖形芯片性能又獲得了大幅度提升。

然而，蘋果及其他手機制造商從來不會在發布會上提及，有一個組件多年來一直沒有變化，那就是鋰電池。

不管是智能手機、平板電腦，還是如今異常火爆的特斯拉電動車，所有電子設備使用的鋰電池技術，和1991年索尼公司發布的首個商用鋰離子電池并無本質差別。

在過去的23年時間里，人們并非毫無創新，全球各地的研究人員從未放棄研發新型電池技術。2014年更是取得了一系列突破，在充電效率、電池容量、發熱冷卻等方面，傳統的鋰電池也已經表現得越來越好，很多新的電池技術似乎也已經看到了商用曙光。

但直到現在，電池的使用時間仍然很難讓人滿意，電池技術依舊是所有電子設備進化的最大瓶頸，而且從產業化的角度來看，電池技術距離革命性突破，仍有一段不小的距離。

魚和熊掌不能兼得

電池技術為何難以出現革命性突破？主力軍鋰離子電池到底出了什么問題？

鋰的原子序數是3，這意味著它有三個質子，是最輕的堿金屬元素，這讓它成為已知材料中最適合用來制備可移動電池正極的材料。

當然，除了鋰，鋰電池中還包括磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料。和更早的鎳電池相比，鋰電池更小、更輕、能量密度更高，用了不到15年時間就替代鎳電池，成為當下主流的電子設備電池技術。

但其也存在不少問題，最主要的是發熱。鋰電池充電和放電的過程中，在高密度的空間內部會產生大量的熱量。

對于智能手機等小型電子設備來說，由于容量限制，發熱帶來的麻煩還不算大，依靠手機內部的導熱設計基本能解決散熱問題，但對于特斯拉電動車這種底盤鋪滿數千塊鋰電池的大家伙，就必須采取相應的冷卻措施。

這就是為什么幾乎所有電動汽車或者混合動力汽車的鋰電池組上，都附帶了體積龐大的液態冷卻設備，不過即便如此，某些電動車電池爆炸起火的事故還是時有出現。

鋰電池中鋰離子的數量是固定的，想要更長久的電池使用時間，就必須增加電池數量，但這又意味著更重的設備、更大的發熱量以及更高的過熱爆炸可能性。如果想要更安全或者更便攜，就必須犧牲電池數量和使用時間。

換掉鋰電池

順著這個思路，研究人員想到的一個突破方向，就是尋找更安全、能量密度更高的材料，換掉鋰電池。

空氣很可能會成為那個更好的選擇之一，不久前，以色列一家科技公司研發出了使用鋁和空氣作為電極的新型電池，這種電池可以利用空氣中水分子與鋁產生化學反應并放電。

事實上，這種金屬-空氣的電池技術早在上世紀60年代就已問世，它的原理是以99.9%高純度的鋁為陽極，水分子中的氧為陰極，利用水溶液作為電解質，讓鋁板攝取氧，完成放電過程。

在整個化學過程中，最終的產物是氫氧化鋁，所以這種電池技術看起來更穩定更安全，而且鋁-空氣電池的能量密度也大大高于等質量的鋰電池，理論能量密度能達到8.1千瓦時/千克。目前特斯拉電動車所使用高能鋰電池，能量密度也只有約0.3千瓦時/千克。

另一個同樣在電池技術領域流行的突破思路是，如果不能換掉鋰電池，那就換一種充電方式。

目前最有希望被普及的另類充電方式，是無線供電技術。請注意，這里所說的不是早些年手機廠商們推出的帶著托盤的無線充電手機，而是效率更高的無線供電技術。

如果從原理上看，無線充電和無線供電其實沒有太大的差別，兩者都是利用電磁感應、共振或耦合原理。它最早源自19世紀90年代交流電之父尼古拉·特斯拉的設想，他提出可以利用磁共振在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振，從而實現電能的高效傳輸。

形象一點的說法，就和高音歌唱家有可能把某個相同振動頻率的玻璃杯唱爆是一個道理，只不過電磁感應和共振不至于把電子設備震爆。

與無線充電相比，無線供電的優勢在于突破了距離上的限制。美國一家公司正在做的傳輸器解決方案，最遠的電能傳輸距離已經可以達到10米。

盡管和動輒數百米的無線網絡相比，無線供電的傳輸距離還有些短，但至少在技術層面，實現無線供電，就已經算是走出了第一步。

更大的難題

那么，為什么人們還沒有在機場、酒店或者咖啡店看到類似無線網絡的無線電源熱點？

事實上，無線供電普及的最大障礙，并不是傳輸距離還不夠長等技術難題，而是市場上各種電子設備的無線供電標準兼容難題，這已經超出了科研人員所能控制的范疇。

就像高音歌唱家的例子，如果各個杯子的振動頻率都不一樣，想要所有的杯子都能被唱爆是不可能的。

不過，2008年國際上多家行業內的公司和協會，已經成立了無線電力傳輸國際標準聯盟，致力于統一無線供電的技術標準，聯盟的一位中國公司成員說，出臺一個類似于WiFi的統一標準時間應該不會太遙遠。

相比而言，替換掉鋰電池的新型電池技術方案就要艱難得多。最有希望的金屬-空氣電池技術至今仍有很多實際的問題需要解決，比如使用過程中，需要定期往電池組里加水，而且它是不可充電電池，鋁板完全氧化反應成氫氧化鋁后，就必須重新更換鋁板。

這無疑會加大成本，阻礙金屬-空氣電池技術投入使用，不過好消息是研究人員正在努力延長鋁板氧化反應時間、降低鋁板回收利用成本，爭取盡早將這項技術商業化。

美國凱特琳大學莫特工程科學中心研究員凱文認為，即便在技術層面已經達到商業化要求，將它們制成適合各類電子設備的成品大規模應用，又會是另外一個漫長的等待過程。如果沒有特殊的爆發誘因，至少最近5年，人們很難看到真正成熟的革命性電池技術。