鉅大LARGE | 點擊量：588次 | 2021年11月02日
鋰離子電池的續航讓人絕望？科學家或帶來希望
我的電池沒電了——誰有多余的充電器？大多數擁有手機、筆記本，甚至是電動汽車的人都會對這種痛苦心生同情。當你最要它的時候，手機屏幕變黑了，于是燃起了一種細微但卻持續不斷的惱怒之情。之后是對充電插口無止盡的追尋。當你意識到自己選擇了一個沒有充電插口的火車車廂時，你會有一種心如死灰的感覺。
在延長電池日益衰減的壽命上，你聽到了各種互相矛盾的建議。與此同時，你絕望地意識到，它總會在幾年內死去。上床前為手機充電已經成為夜間的例行動作。
“現有電池的問題是它們很糟糕，”特斯拉的CEOElonMusk在五月的Powerwall——一種時髦的新電池——的公布會上說。這個謎題的級別就像是暗物質，或者說，就像是你為何仍然買不到能同時烤好面包兩面的烤箱相同：為何電池很糟糕？
“這歸根到底是一個基本問題，”劍橋大學化學系教授ClareGray說。他研究電池運作已有20年了。“你擁有一塊材料，而且只能同時讓一定數量的電子進出。不是說只要這些蠢蠢的科學家繼續研究下去，我們就可以無窮無盡地新增電池的電量。”
因此，電池并不糟糕；那是我們的期待太高了嗎？“你或許可以去問問iPhone用戶，他們為何一天要吃三頓飯，”Grey笑著說，“任何設備天生就很耗電。許多人每年充手機的次數是365次。這等于要求一種化學反應持續發生1000多次后還能保持完美。在我們的生活中，什么東西來回運作1000次后不會衰減？”
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在溫哥華，加拿大公司CadexElectronics的CEOIsidorBuchmann對此表示同意。電池的局限在于其化學基礎。他的公司制造充電器、分析儀，并且運營著一家名為“電池大學”的網站。而公司對改善現有電池的興趣更加濃厚。
“每個人都想要發明所謂的‘超級電池’，但問題在于，電池相同會衰老，就像我們相同，”他說，“即使運動員也會慢下來。因此，追蹤它工作時的表現很重要。人們只關注電池從出生到畢業的階段，忽視了從工作到退休的階段。”明年，Buchmann計劃全球旅行，“宣揚如何保護電池”。
與此同時，可攜帶電子設備正變得更輕、更便宜，而且每過幾年就性能翻倍。iPhone6s擁有3D觸控屏幕，超極本又薄又強勁。一款新的智能手表的運算能力超過了登月的阿波羅太空船。但是，它們使用的鋰離子電池和索尼1991年開始銷售時并沒有太大改變。在充滿電的情況下，你的電動汽車仍然無法從倫敦到達愛丁堡（除非你有5.5萬英鎊的零花錢，可以買個TeslaS）。
“電池衰退不在計劃中，但是，公司沒有動力去開發壽命數十年的電池，”Gizmodo網站的科技專家EricLimer說，“每晚充電已經是常規了，因此，除非你把電池續航延長為數天，否則沒有什么意義。”
另外，越來越多的手機和筆記本采用了不可拆卸的電池。電池之死成了促使你升級的理由之一。”正如JoannaStern在華爾街日報上對iPhone6s的評論上所說的：“人們對智能手機的第一要求是更長的電池壽命，iPhone6S沒有做到這一點。”
Limer的Nexus5已經用了兩年時間了，每六個小時就要充電，不過其它方面都“表現非凡”。他相信，解決方法在于更好的電池維護。“有兩件事情，”他建議說，“首先，鋰離子電池從滿電一直用到虧電并不合適，因此，應該經常充電，每次充一點：理想的電量狀態在30%—80%之間。其次，不要讓你的筆記本發熱：當它做高強度的工作時，把它放在支架上。”
如今，鋰離子電池存在于手機、汽車、數碼相機、電子煙、電動工具、輪船和太空飛船、好奇號火星探測車上。它驅動著現代世界中許多我們賴以生存的東西。但它們的運作方式仍然與200年前首次出現的電池相同：基本上，它們包括了兩類金屬，中間是某種溶液。有關1799年的亞歷山德羅·伏打來說，那是鋅和銀，用浸入鹽水的布分開：這是世界上首個獲得廣泛應用的電池。
如今，電池的一端是鋰，另一端通常是碳，中間是鋰離子來回穿越的電解質溶液。鋰的問題在于，它是易燃的。正如一位科學家告訴我，或者YouTube上錘子擊打三星S5致其爆炸的視頻所展示的：“鋰離子電池是非常可怕的。”這是它們在過去25年內只改進了部分的理由。
雖然如此，創造超級電池的競賽仍在繼續。能量儲存市場正要起飛，而且在全球的實驗室都有研究，由政府、科技巨頭和汽車制造商投資贊助。科學家和工程師們正在努力制造儲存更多能量、壽命更長、體積更小、價格更低、更加有利于環境保護的電池。通常，這是秘密進行的。
一些人則走向另一條道路，試圖找出耗能更少的技術，或者極為快速的超級充電站。換句話說，電池或許只能續航六小時，但是可以在兩分鐘內充滿。
其他人則完全拋棄了我們現在所了解的電池。倫敦皇家學院的復合材料工程師EmileGrennhalgh博士正在開發一種可以儲存能量的結構材料。他的研究由歐盟和部資助。
“在我們的概念中，你不再要iPhone電池了，”他解釋說，“能量可以儲存在外殼里。”這聽起來不如“人們正在制造的奇特電池和超級電容器”那么好聽，他補充說，但是，從另一方面說，“你能用我們的材料制作飛機的機翼，普通電池無法做到這一點。”
他的研究成果什么時候才能推向市場？“沃爾沃在行李箱蓋上使用了它，效果很不錯，”他說，“在我看來，它會在今后五年內進入小眾產品領域。我們的研究引起空客這樣的公司的興趣，因為，它們想要在2050年前造出純電動的飛機。”
在特隆赫姆的挪威科技大學里，材料科學家FrideVullum-Bruer正在研究一種替代碳的材料，可以將電池的性能提升30%以上。她的項目被稱作“來自海洋的電池”，因為，她的團隊在制造電池的過程種使用了褐藻。我天真地問她，材料的名字是什么。“我不能告訴你，”她說，“我們正在申請專利。”
Vullum-Bruer，以及與我交談的每一個人都相信，未來的市場不會只有“一種魔力電池”，而是許多種不同的電池。“我認為，在很長一段時間里，鋰離子電池會繼續統治市場，”她說。
“但是，在10年內，我們會看到其它電池的出現。在一些領域，比如汽車領域，鈉離子和鎂離子電池或許會部分替代鋰離子電池。近些年來，炒的最火的一種材料是硅，因為在地球存量最充足的元素中，它排在了第二位。它的耐久度是傳統材料的10倍，但是，目前你只能給它充幾次電。我聽到一些有關此類電池電路的謠言，在制造新電池的時候，特斯拉正在測試這種硅材料。”
哦，特斯拉。每個人想起了那家站在電池革命前線大膽的電動汽車公司。在我們的交談后，Buchmann寫來郵件說，“要真正讓電池行業快速發展，要找到電動汽車能使用的超級電池。”在馬斯克說電池“糟糕”的那天，他宣布成立特斯拉能源，一個柵極電池公司。幾個月后，它的Powerwall家用電池訂單已經達到了10萬，價值10億美元。
電池的生產地是特斯拉在內華達沙漠中的超級大型廠，投資50億美元。該廠會在明年開工，成為全球最大的電池制造廠。特斯拉在網站上極為自信的宣稱，到了2020年，它每年生產的鋰離子電池數量將會超過2013年的全球鋰離子電池生產量。
當能源儲存革命中的其他人制造更小、更強大的電池，或者嘗試新元素的時候，特斯拉只是在制造更多的電池。“我敢說，Elon構建了一個非常好的商業模式，”Grey說，“他把平淡無奇的電池拿來，連上線，塞到特斯拉電動汽車上。”
我們這些人怎么辦呢？我們能否期待，不久的將來自己的設備能堅持一天時間？“只要我們的電池是基于化學反應的，我們就會遇到很大的限制，”Buchmann說，“電池的健康幾乎就像是活體器官的健康或者人類的健康。我們必須關心它。”
而Limer則表示，“我認為，10年內，情況不會有很大的變化。一個比較現實的期待是，即使在極端的重度使用下，你的電池也能堅持一天的時間。”他接著說，如今，我們面對的是“電池僵局”。
Grey更為樂觀。“電池在改進，新材料也在到來，”她說，“電子設備的耗能也會下降，但事實是，整個社會仍然要更多的能量。在今后的25年里，我們想把一切東西都連接起來。”盡管電池不能拯救世界，但是，Grey相信它們能夠發揮自己的用途。
“網格能量存儲是社會面對的重大挑戰之一，”她說，“當社會持續發展，必須處理氣候變化問題，而電池在此會發揮重要的用途。目前，明確的方法是不存在的，而且，在今后的一些年里，情況也不會有改觀。但是，變化總會發生的。2050年的電池是什么樣子，誰也說不準，但是，它肯定會很吸引大家的眼球的。”
