鉅大LARGE | 點擊量：1743次 | 2019年04月09日
哪一種電池技術可能能夠取代鋰電池
如果回顧一下蘋果公司（Apple）的iPhone或豐田（Toyota）普銳斯（Prius）混合動力車從最初型號到現有版本的發展過程，人們會發現技術行業一個常見的軌跡：性能翻倍提升，產品更精致，創造了無數就業崗位，甚至顛覆了整個行業。
例如，iPhone在蜂窩網絡中最大的理論下載速度已從2007年2GiPhone的1兆字節/秒上升至如今5s型號的300兆字節/秒。其顯示屏的像素密度增加了一倍多，攝像頭已從廉價的配件轉變為一種實用的照相工具，而且其軟件能力要比iPhone誕生之時強大太多太多。
同樣，豐田的普銳斯混合動力車從2000年的鄰家怪胎（以及明星彰顯其環保態度的配飾）搖身一變為日本和加州最暢銷的交通工具。當前車型引擎的重量較最初型號輕了20%（總功率增加了20%），而且單次充電后行駛的里程更長。有人會說，沒有普銳斯，就不會有如今的特斯拉電動車（Tesla）。
然而在這些設備中，有一個組件這些年來一直沒有變化，那就是鋰離子電池。不管是在iPhone，還是普銳斯，甚至是特斯拉S車型，鋰電池用的還是1991年索尼公司（Sony）推出這一產品時所用的材料。當然，這并不是說人們沒有針對這種電池進行過創新。設備制造商在充電效率、冷卻和控制進入手機、汽車、筆記本和USB元件的電流流量方面做得越來越好，但這些電池的芯卻沒有怎么換過。即便是特斯拉計劃建造的50億美元超大型電池生產廠生產的仍是（如你所料）鋰電池組。
進一步的調查發現，人們對于哪一種電池技術可能能夠取代鋰電池仍是眾說紛紜，甚至連這方面的謠言都是寥寥無幾。
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為探究其原因，《財富》（Fortune）向致力于開發下一代電池的5名知名研究人員、一名行為經濟學家和一名電池行業高管提出了一個簡單的問題：為什么電池技術的發展速度要比硬件慢如此之多？
接下來你便會發現，答案的一成與化學有關，一成與心理學有關，而兩成則與上述問題的反問有關：對于一項未經過二十年發展的新電池技術，一旦裝上汽車，誰想成為首位駕駛該車的人？
當今的電池技術：密度大、發熱量大、問題多
鋰離子電池技術在很多方面都是移動電源的主力軍。
鋰的原子量是3，如果你還記得中學化學的話，這意味著它有三個質子，非常輕，是除了氫和氦之外單位體積可填充密度最高的元素。芝加哥伊利諾伊州理工大學（IllinoisInstituteofTechnology）物理學教授卡洛？塞格雷表示，鋰的物理量為化學家們所熟知，我們幾乎掌握了鋰離子在電池中流動的方式。
塞格雷說，我認為歸根結底，鋰如此好的原因在于，它非常輕，而且能夠輕易地穿透隔離膜。而且其產生的電壓是已知材料中最高的之一。
鋰并不是鋰電池里的唯一材料，其中還混有錳（個人電子產品和交通工具）、磷酸鐵（高強度工作）和其他金屬。為了產生電壓，這種混合物會流經另一種材料：石墨、鈦溶液、硅和不同形式的碳（依情況而定）。對于大多數在相對安全的環境中所使用的非工業設備來說，流經石墨的是鋰錳氧化物，因為這種材料價格低廉，相對安全，而且密度高。
但是這一老產品也存在一些問題。這一進程會在一個高密度空間內產生熱量，需要采取一些冷卻措施。（例如，與特斯拉車身長度相當的液態冷卻設備擔負了大量的冷卻工作。）傳導鋰離子的電解液增加了電池的重量。電芯的容量在一段時間后就會下降。充電會讓鋰離子回流，但這一進程可以更快一些。充滿電解質的高密度鋰電池在發熱量超過一定程度之后有時會爆漿或爆炸，雖然這一情況很少見。
今后我們可能會使用空氣
IBM研究院（IBMResearch）科技部主任錢德拉塞卡爾。納拉延是電池500項目（Battery500Project）的成員。該項目的目標是，開發能夠提供行駛500英里路程所需電量的電池。IBM公司自身并不會生產電池，而是與消費類產品制造商開展合作，將這一技術帶到現實中。
經過多年的努力之后，納拉延看到了鋰-空氣技術的前景，即用汽車自身補給的氧氣取代石墨和其他的金屬。這類電池可以變得更輕，更安全，而且供電時間也更長。但是研發新的混合物，將它們制成新材料，并檢測其在數千輛汽車上的安全性，需要花費非常漫長的時間。
納拉延說：目前沒有一個指導性原則顯示，我們能夠年復一年地獲得進步，也沒有捷徑可以走。要得到這種范式，唯有創建一種全新的化學反應，而這一點并非創新所能企及的。
當前，鋰-空氣電池必須克服堵塞、內部腐蝕和穩定性問題。即便空氣電池能夠順利地演變為一種可行產品，納拉延認為，在今后，電池技術將不再是通用型。例如，對于電網存儲來說，它或許不是什么好技術。尤其是有尺寸要求的行業，我們或許很快將看到多種多樣的電池類型。
當前我們能做些什么：降低價格
凱特林大學（KetteringUniversity）的凱文白和周軒（音譯）在實驗室中從事電池行業研究，但他們的談吐更像是買車人而不是實驗室的書呆子。周軒表示，現今的混合動力車存在多方面的優缺點。
周軒說：目前，混合動力的售價是每千瓦時500-600美元，但合理的價格應該是200美元。而且冷卻系統的價格跟電池的價格是差不多的。如果汽車需要6，000美元的電池，那么就需要6，000美元的冷卻系統。此外，凱文白指出，這類電池的體積蠶食了本應屬于后備箱或乘坐的空間。兩位科學家也認為，電動汽車不應給人們帶來沉重的財務負擔。
但是誰也不知道，哪些現有材料才能構造出最安全、發熱量最低和重量最輕的電池混合材料，而且其價格要比現有的產品便宜。
現今在助聽領域使用的鋅-空氣電池重新激起了人們的興趣，而且尤為重要的一點在于，鋅很容易獲取。鈉-空氣電池也是一樣，成本更低，而且組裝起來更容易，只是潛在功率趕不上鋰-空氣電池。人們還嘗試過用硅來取代石墨和固體碳，但是硅并不便宜。或者，我們可以只專注于改善實驗室和摩托車使用的鋰-鐵電池的成本和性能。
凱文白表示，建造更大規模的電池廠、開發更好的電池管理工具以及更加智能的充電電網在很多方面要比等待一兩項新化合物獲得成功更為實在。
凱文白說：我們實際上離使用全新電池的交通工具還很遠很遠。只有在新材料經過10年的測試之后，汽車行業才能放心使用新材料。他表示，人們至少要等到2020年才能看見使用鋅-空氣電池的四輪車輛，然后，人們需要更長的時間才能看到這一電池技術的成熟。
未來我們能做什么：納米工程材料
德克薩斯農工大學（A&MUniversity）教授、美國機械工程師協會（AmericanSocietyofMechanicalEngineers）能源和可持續性納米工程小組成員帕沙。穆克荷吉表示，現在還沒到放棄鋰離子電池的時候。我們可能仍會用它，但它將與我們在實驗室中獲得新能力的材料混合使用。
納米工程師可能會對電池材料的分子結構進行深入研究，以加速電池單元電壓的產生速度，并提升其轉換效率。電解質攜帶鋰離子的方式可能會發生改變，以杜絕交通擁堵現象，并縮短充電時間。人們可能會設計出更薄、更強大但伸縮依然自如的電池膜，這樣，即便電池受熱膨脹，也不會爆漿。或者一心一意開發能夠比碳、空氣或任何已知材料吸附更多鋰離子的材料。
穆克荷吉說：我們需要詢問的最根本的問題在于，‘是否可以從頭再來？’。這就是必須解決的中尺度模型。我們是否能增加材料的寬容度，以滿足我們對于電池的訴求？
與此同時：著眼于長遠
一年前，伊利諾伊理工大學的塞格雷從美國能源部獲得了340萬美元的獎金，用于開發汽車用流體電池。流體電池將其活性化合物儲存在外部儲罐中，然后流經電池結構內部。塞格雷的工作專注于開發具有足夠活性和能量的液體介質，以抵消液體的重量劣勢。
流體電池或許可以應用于汽車和電網，但卻無法適用于手機或筆記本。與其他的研究人員一樣，塞格雷深知，這將是一個漫長的實驗過程，除非研究人員能夠在偶然間發現幾種能用于電池的不同材料組合。與此同時，對于大多數人來說，這是一件尤為痛苦的事情，因為幾年過后，電量沒了，容量也下降了，然而電池供電的電子產品卻在不斷前進。
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