給未來充滿電

董薇

“充電8分鐘，續航1000公里。”是不是像極了當年紅極一時的某國產手機的廣告詞：“充電5分鐘，通話兩小時。”前不久，廣汽集團的石墨烯快充電池讓國產電池充電技術又一次占據了熱搜，而廣汽的野心可不僅如此，它這次押寶在電池技術上，是因為希望自己生產的汽車像當年的國產手機一樣，打出一場翻身仗。

石墨烯作為目前人類已知最薄、強度最大、導電導熱性能最強的納米材料，是新能源電池的理想材料。利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，這類新型電池以閃電超人的速度正試圖改變著人類的蓄電生活。此次，廣汽集團發布的石墨烯電池具備6C快充能力，結合高功率超充設備，最快8分鐘就能充電至80%，結合硅負極材料，能量密度可提高到280千瓦時每千克左右，是同體積鎳氫電池的9倍，壽命大于1600循環，搭載此類電池的電動車，其續航里程可達到1000公里。

放眼國內汽車制造領域，在電池技術方面下功夫的可不止這一家。除了廣汽的石墨烯快充電池可以將電動汽車的續航能力提升到上千公里，我們還有什么充電秘密武器，能為電動汽車提供超長續航動力呢？那就是我們國產的蔚來“固態電池”。1月9日蔚來宣布正式推出150千瓦時電池包，使用固態電池。搭載該電池包的蔚來ES8續航里程將達到730公里，最高續航里程達到910公里，媒體稱之為首款搭載于量產車的固態電池。

這不禁又一次讓我們感嘆，網紅的石墨烯電池和固態電池背后，一場“蓄電革命”正在醞釀爆發。

網紅石墨烯

翻開初中物理課本，具有啟蒙意義的電池——伏打電池，躍然紙上。1799年，伏打用含食鹽水的濕布夾在銀和鋅圓板中間，以銀布鋅、鋅布銀等依序堆積成圓柱，利用導線連接最頂端的銀（正極）和最底層的鋅（負極），制造出最早的電池——伏打電池。此后，鋅銅電池、銅銀電池相繼產生，利用金屬間活性差異而發生的化學反應帶動電子在正負極之間流動，產生源源不斷的電能。傳統電池發展到今天，儼然已經成為有上百位家庭成員的大家族了。不過，能夠在眾多電池中脫穎而出，成為家族中的網紅產品，石墨烯電池可是靠的真本領。

眾所周知，石墨烯材料具有質量輕、強度高、超強導電的特性。不過，電池作為一款消耗品，如果真想把石墨烯應用到電池領域，那他的使用壽命就是必須考量的因素。

中國研制的石墨烯電池準確的稱謂應該是石墨烯基鋰電池，即將石墨烯作為一種介質加入到鋰電池的正極材料，利用石墨烯優秀的電子導電性，來提高電子在電池正負極間的傳導速率，增加鋰電池的性能，在大電流充電時，利用石墨烯較好的導熱性促進顆粒間溫度的均衡，避免活性顆粒局部過熱導致壽命衰減，用來提升大功率電池循環壽命。

中國的研究團隊對石墨烯在電池領域中的使用，可不僅局限在增強蓄電電池性能上，從清潔環保的角度分析，石墨烯電池在科學家的預期中，未來，石墨烯薄膜可以用來從大氣中篩選出氫氣來發電。使用這樣一種薄膜，燃料電池可以從空氣中提取氫氣并燃燒，以驅動電動汽車，而電動汽車不會排放有害環境的廢氣。

不僅要快，還要“無線”快

石墨烯的應用讓電池電量更足、壽命更長，但這樣的電池就像是一個深淵，如何把它快速填滿，變成一片水池，就需要打開蓄電領域中的另一道瓶頸——快充技術。

其實，快充和慢充是相對的概念。我們以手機快充為例，來解釋一下快充原理。在諾基亞盛行的功能機時代，800Ma電池三天不用充電。到了安卓和蘋果盛行的智能機時代，電池焦慮排山倒海式席卷而來。從高通QC1.0的高壓低電流，到QC2.0的低壓高電流，快充技術步步革新。

中學物理課公式：P（功率）=U（電壓）I（電流），想要功率增大，既可以靠提高電壓實現，也可以靠提高電流實現。前面提到的QC1.0提高的就是電壓。QC2.0也就是閃充提高的就是電流。再后來，人們發現單獨提高電壓和電流遇到瓶頸了，于是電荷泵和串聯雙電芯技術應運而生。電荷泵這種電能轉換設備可以在電壓減半的同時電流增倍，這種明顯高于普通充電器集成電路的轉換效率還使電荷泵在充電過程中發熱減小，華為P30手機上的40W快充就用到了這個電荷泵技術。而串聯雙電芯就是把一塊電芯分成兩塊，根據串聯分壓原理，分別充電，又快又不熱。這兩項技術的并用，也讓一些手機全面突破65W，甚至是100W超快閃充，將15分鐘充滿4000mAh電池的夢想照進了現實。

不過，這畢竟是有線充，看著桌面上形如蛛網的充電線，那些有強迫癥的工程師便在無線充上開始大做文章。1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉構想的無線輸電方法是把地球作為內導體、地球電離層作為外導體，利用電磁波來傳輸能量。到了2007年，麻省理工學院的研究團隊在美國《科學》雜志的網站上發表了研究成果，把共振運用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波，成功實現無線傳導。經過了十幾年的發展，無線充電從最初只能給電子表充電，如今已經可以為手機、智能家電，甚至是工業機器人這樣的智能設備無線充電。除此之外，無線充電的距離也在逐步拉長，比如前不久，小米官宣了自己研發的隔空充電技術，已經可以把充電距離延長到數米之外。

不過，隨著無線充電技術的發展，隨之而來的輻射焦慮開始籠罩在人們周圍。其實仔細想想就會知道了，無線充電原理是電磁感應現象，屬于超低頻工作的電子設備，跟普通的小型家電輻射相當，對人體沒有特殊影響，這就好像我們用電飯煲煮飯也會產生電磁輻射，但卻都在國家標準控制之下，正常使用不會對人體產生明顯影響。相反無線快充，卻會給生活帶來最大的便利，已經實現無線充的手機、電腦、相機、家用電器是不是讓家庭空間更整潔了，未來更多的無線快充會讓公共空間更加有序，生活更加具有美感。

讓電池重生

電池用起來是真的好，但是用過之后的回收處理問題，就像是一個永遠無法逃離的莫比烏斯環，世界各國都在致力于更好地處理能源高效利用同環境保護的矛盾。對于動力電池的回收再利用，目前普遍采取的方式是：梯次利用+再生處理。對于新能源汽車上退役的動力電池，能量殘余在70%以上的，經過挑選、測試等環節之后，可進一步應用在儲能、分布式光伏發電、家庭用電、低速電動車等領域；之后再進一步分解，進行再生處理。

日本自1994年起，建立了“蓄電池生產—銷售—回收—再生處理”的電池回收利用體系。這種回收再利用系統是建立在每一個廠家資源努力的基礎上，零售商家、汽車銷售商和加油站免費從消費者那里回收廢舊電池，最后由回收公司進行分解。2000年起，日本政府規定生產商對鎳氫和鋰電池的回收負責，電池收回后運回電池生產企業處理，政府給予企業相應補助。

美國國際電池協會制定了押金制度，促使消費者主動上交廢舊電池。政府利用網絡，采取附加環境費的方式，通過消費者購買電池時收取一定數額的手續費和電池生產企業出資一部分回收費，作為產品報廢回收資金支持，同時廢舊電池回收企業以協議價將提純的原材料賣給電池生產企業。

德國政府立法回收，生產者承擔主要責任。利用基金和押金機制建立廢舊電池回收體系市場化。除了電池生產和進口都必須在政府登記，德國環保部會示范項目進行資助，探索廢舊動力電池資源化利用的研究。

從1780年意大利解剖學家伽伐尼在做青蛙解剖時，偶然發現的生物電開始，物理學家在實驗中經過大量實驗不斷的迭代著電池的發展，并在20世紀以來電力革命及當今科學技術發展中充當著持續動力的角色。以“開環”為起點，蓄電革命從偶然的生物放電拓展到化學能到電能的轉換，以“閉環”為終點，生物電池的研究發展又回到了那個初心，而沿途的風景早已大不相同。