未來電池技術

隨著人們對筆記本電腦、智能手機和電動汽車移動性能的要求越來越高，人們對高性能電池的追求也越來越高。那么，目前電池技術研究領域都有哪些新進展呢？

去年的10月26日，經過重新設計后的奧迪A2電動汽車“一口氣”從慕尼黑開到了柏林，續航里程達到了創紀錄的605km。在此之前，還沒有一輛電動汽車可以行駛同樣的里程。盡管部分專家對于奧迪A2電動汽車續航里程記錄的權威性尚存爭議，但是毫無疑問，電池技術確實取得了可喜的進步。

不僅是汽車制造商，筆記本電腦和智能手機制造商對于“可以在更小的體積中存儲更多能量”的新電池技術也充滿了渴望。其實，電動汽車和筆記本電腦上使用的電池有很多相似之處。例如，由美國特斯拉電動汽車（Tesla Motors）公司生產的電動跑車Roadster配備了18650型鋰離子電池，這種外形規格為18mm（直徑）×65mm（長度）的柱狀體18650型鋰離子電池正是筆記本電腦上最常使用的標準電池芯。Tesla Motors公司將6831塊標準18650型鋰離子電池級聯起來組成了一個車載電池組，并且采用了該公司自主研發的安全控制技術，可以存儲56KWh的電量，足以驅動重量約為450kg的Roadster跑車行駛340km。

增大存儲密度：存儲更多能量

人們對未來電池的需求是它們應該體積更小、重量更輕，而且必須存儲更多能量。世界各地的許多電池技術科學家都致力于實現這項目標。他們的研究領域涉及納米技術、病毒技術、甚至是直接從空氣中提取原料的技術等等，但是無論如何，目前最常用的鋰離子電池技術總是各項研究的起點。

由于鋰電池的能量密度是最高的（能量密度：每單位質量或體積所具有的能量，又稱為比能），所以目前各種樣式的鋰電池被廣泛運用于多個領域。舉例來說，老式的鎳鎘電池（NiCd）的能量密度大約為40Wh/kg，而鋰離子電池的比能可以達到100Wh/kg~245Wh/kg。另外，由于鋰離子電池沒有“記憶效應”，所以不會遇到因放電不完全而導致電池容量降低的問題。而且，鋰離子電池在經過1000次充放電的循環周期后，電池容量才會降低20%~50%，遠遠超過現有的其他電池技術。

雖然新的電池技術研究如火如荼，但是電池技術的基本原理都大同小異——充電時，電池將電能轉換為化學能；放電時，反應過程則相反，電池將化學能轉化為電能。電池的儲電容量取決于電極和電解質的材料，在鋰電池中，正極由鋰化合物組成，負極則通常為可存儲鋰離子的石墨等炭材料組成，電解質則由鋰離子可以在其中“游動”的無水電解質溶液組成。

替換電解質材料是增大電池能量密度的最常用方法，新的研究成果已經一次次增大了鋰離子電池的能量密度。然而，僅僅替換電解質材料難免會帶來負面效應：在充放電過程中化學反應將會產生熱量，可能引起電池過熱甚至爆炸——過去幾年來發生的不少筆記本電腦和手機電池自燃或爆炸事件，都還令很多人心有余悸。

因此，混合動力汽車制造業的先鋒，日本豐田公司在2010年底展示了新的全固態鋰電池原型，該電池的電極是由鋰鈷氧化物和石墨顆粒制造的，電解質采用了抗熱性極佳的硫化氫。不同于目前電動汽車上常用的電池技術，這種新型的鋰固體電池大大降低了高溫自燃或爆炸的風險，增強了電池的安全性。

鋰電池技術：前景依然遠大

在鋰電池研究領域，除了試驗新的電解質材料外，電極的替換材料也在研究中。舉例來說，在很多研究測試中，科學家使用硅替代石墨電極，從而使鋰電池的存儲容量增加了數倍。更令人興奮的是，據稱IBM公司與蘇格蘭圣安德魯斯大學（St.Andrews）正在研究的鋰氧化物電池——“鋰空氣電池”與現今的鋰離子電池相比，能量密度可以提升10倍之多。

這種“鋰空氣電池”的陽極包含鋰離子，陰極則采用多孔碳膜為主的材料。放電過程中，陰極多孔碳膜吸收空氣中的氧（作為氧化劑），與鋰離子反應。充電的過程中，氧氣又被釋放。理論上講，利用空氣中的氧，陰極的能量密度可以算作是無限的。但是，鋰離子的一個問題是它不可接觸水，哪怕大氣濕度太大都不行。而且鋰空氣電池還有另一個致命缺陷，即固體反應生成物氧化鋰（Li2O）會在陽極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導致放電停止。研究者希望2014或者2015年年初可以解決這兩個問題，批量生產這種電池。

電極：增大反應面積

另一個提升能量密度的方法是使用更薄的電極片。如果將一個厚電極片變成數個薄片的話，就有可能在同樣的空間中帶來更多的電極反應面積，從而增大電池的存儲容量。也可以采用另一種方法達到同樣的目的，那就是不改變電極的形狀和大小，只需要讓電極的表面粗糙起來，就可以有效增大反應面積。

美國馬里蘭大學的一個研究小組正在進行病毒電池技術的研究，他們已經找到了將棒狀的納米級煙草花葉病毒與電池技術結合起來的辦法。管狀的煙草花葉病毒在納米研究領域頗受歡迎，又因為其大小和形狀非常適合電極構造，可以自我復制、自我組裝，并且可以和金屬粘合，無需任何粘合劑，從而可以為電極提供更好的電極表層結構。這種病毒電池的性能提升令人印象深刻——被病毒“感染”的電池容量可以達到普通電池的6倍之多。

由美國紐約州倫斯勒理工學院教授倫斯勒理工學院Nikhil Koratkar率領的一個研究團隊，正在進行另一項經典的納米電池技術研究。他們在電極上覆蓋了一層號角狀微結構的“納米鏟”（Nanoscoops）納米材料，使用硅酮為基礎材料。這種新型“納米鏟”電池的陽極采用一層又一層的納米材料，薄薄的鋁涂層蓋上一層硅，結構非常柔韌。每一層納米材料都充當一層“海綿”，用以減輕下一層的壓力，合在一起，它們就可減輕陽極快速充電時受到的壓力。因此，充電次數和電池使用壽命均可以增加40~60倍。

相比于目前的電池制造工藝，這將會大大簡化電池設計制造流程。這是因為，現在的電池需要分隔的存儲單元（電容），以緩沖負荷峰值電量，而新型納米材料本身就有很好的緩沖功能。

薄過紙：可打印的電池

電動汽車領域的新技術也同樣適用于筆記本電腦和智能手機，減少充電耗時，實現快速充電就是它們的共同需求之一。美國麻省理工學院的研究員Byoungwoo Kang和Gerbrand Ceder開發了一種鋰離子磷酸鹽電池，該電池可以實現在一分鐘之內將電池充滿電，而且不會帶來過熱的危險。同時，日本索尼公司也推出了以這種原料制作的新型電池，但是現在市面上的筆記本電腦是否可以完全兼容這種“瞬間充電”技術還是個未知數。

現在，鋰離子磷酸鹽電池的能量密度還不及常規的鋰離子電池。為了增加能量密度，電池研究人員將目標放在了采用新的電池結構設計和生產工藝上。舉例來說，2009年的時候，由弗勞恩霍夫協會電子納米系統研究所、德國開姆尼茨工業大學以及Menippos公司聯合開發了“可打印的電池”，這種電池的重量不到1g，厚度不到1mm。而由日本先進材料創新中心開發的新型鋰聚電池的厚度甚至只有0.5mm。

在應用方面，超薄電池可以集成到太陽能模塊或者電子紙的背面，并且超薄電池還可以做到對環境完全無害。例如，瑞典烏普薩拉大學Angstrom實驗室的一組研究人員正在測試基于海藻纖維素材料的電池。纖維素本身并不能導電，烏普薩拉大學的研究人員使用了一種常見的導電聚合物聚吡咯（polypyrrole）來包住纖維，從而制造出新電池的兩極，并且用浸過鹽水的濾紙作為電解質。這種纖維素電池的能量密度目前還不及現有的鋰離子電池，但是它也有獨特的用途，比如它既可用于帶有小型無線電裝置的行李標簽，利用發出的信號讓行李的主人追蹤到行李的位置，也可用于“智能”包裝材料，比如帶電子顯示屏的包裝盒等等。

智能手機短板：電池需求旺盛

隨著智能手機和平板電腦等移動終端日益風靡全世界，人們對高性能電池的需求越來越旺盛。在鋰電池技術領域取得的任何一項實質性突破，都會迅速引起全球股票市場的反應。現在，已經有專家站出來警告說“即將到來的鋰缺乏將會引起電池原材料價格的快速上漲”。其實，電池已經成為現代人生活的基礎性設備，新技術必須首先增加電池的容量，否則快速充電就沒有多少意義可言。相信，在未來的高性能電池世界里，標準的充電站將會遍地開花，到時候無論給手機、筆記本電腦還是汽車充電都會變得無比便捷、快速。

發展中的充電技術

當電池中的電量不足的時候，就需要插上充電器進行充電。然而，用不了多久，我們就可以告別繁瑣的線纜進行無線充電了。

統一充電接口

普通手機、智能手機和MP3音樂播放器上的充電接口標準各自為營的狀況即將成為過去，MicroUSB接口首先將會在歐洲市場上成為標準的統一充電器接口，這無疑是一個好消息。但是，在筆記本電腦上實現統一各廠家的充電接口尚需時日，因為不同類別的筆記本電腦使用不同類型的電池，有不同的續航需求。

無線充電技術

曾經看似遙不可及的無線充電技術將會走進我們生活的方方面面。電動牙刷已經廣泛采用了電磁感應技術進行充電，而無需繁雜的電纜。這種方式對于智能手機、筆記本電腦和電動汽車而言也是可行的。現在，Powermat（powermat.com）和WildCharge（wildcharge.com）也提供了將你的智能手機放在充電板上即可充電的無線充電技術，但是該技術的弊端是仍然需要給iPhone或者Android手機加上一層“外衣”作為接收器，使用并不十分方便。另一項漸成規模的研究是將動能轉換為充電電流，這些研究的設計師希望可以將跳舞時產生的動能直接轉化為手機上可以使用的電能。去年，日本兄弟公司已開發出一種微型發電機，它可以內置在AA型和AAA型大小的電池中，用震動的方法發電并將電量保存在電池中。事實上救生手電筒上的振動發電技術早已經普及。

太陽能電池

完全依靠太陽能工作的筆記本電腦原型已經研制出來了，蘋果公司也拿下了一項將太陽能用于筆記本電腦的專利。而三星公司已經批量生產的太陽能手機E1107可以借助背面的太陽能充電面板進行充電，該手機配備一塊800mAh電池，并且售價便宜，非常適合偏遠地區的用戶使用。

采訪

“鋰離子電池技術短時間內仍將是主導。”

Bettina Lenz博士

德國下一代能源技術研究中心能源存儲部門負責人

你認為在接下來的幾年中，鋰離子電池的能量密度會顯著增加嗎？

手機上使用的鋰電池與電動汽車上的鋰電池技術并不相同，所以也很難比較。在能量存儲密度方面，當然會取得新的發展，但能否“顯著”增加，我也不太確定。

最近幾年，有高效的電池存儲技術可以取代鋰離子電池或者有取代鋰離子電池的趨勢嗎？

完全取代鋰離子目前看來還不太現實，但是類似鋰硫電池和鋰空氣電池的新技術正在成為電池技術研究領域的新寵。然而，這些技術在量產前還有不少問題需要解決，比如重復充電、長期穩定性等問題。

你看好使用燃料電池做為能源的電動汽車嗎？

燃料電池在移動和非移動領域都大有前途。但是目前最常見的氫燃料電池本身還有一定的問題，比如氫難以存儲和運輸、使用價格昂貴的鉑作為催化劑等等。

在移動設備上的呢？

相比于氫燃料電池，甲醇燃料電池不需要復雜的汽化產生氫氣的過程，而且甲醇便于攜帶、能量密度高，更適合于移動設備。目前，已經有不少研究，只是發電效率還不高，距離量產還有一定距離。

移動型迷你充電站

近幾年，燃料電池在媒體報道中一直熱度不減。這種環保型的燃料電池究竟有哪些優勢呢？

跟內燃機一樣，燃料電池也需要消耗燃料進行化學反應從而產生電力。目前最常見的是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池。其使用的氫燃料價格合理，與氧反應后產生的廢料是水和熱，對人體和環境完全無害。燃料電池最早應用于美國軍方，后來在美國國家航空航天局的阿波羅登月計劃中，也廣泛采用了燃料電池技術。另外，由于采用了燃料電池驅動，德國海軍的212A型作戰潛艇被認為是第一臺不需要空氣的潛水艇。

在汽車領域，日本豐田汽車公司的新型燃料電池混合動力汽車FCHV，配備了全新設計的高性能新型燃料電池混合動力系統，該混合動力系統由燃料電池和鎳氫蓄電池組成。

采用燃料電池的手機

聽起來振奮人心——只要將儲氫暗盒插入智能手機和筆記本電腦中，電池就可以續航了。其實早在2003年就已經看到了燃料電池筆記本電腦的原型，但是直到今天依然沒有看到該技術的成熟應用，其中一個原因就是燃料電池在發電過程中會產生大量的熱。2010年年底，英特爾資本宣布投資Lilliputian 系統公司，并為該公司代工硅片。Lilliputian 系統公司打算生產丁烷燃料電池，實現為智能手機等便攜式移動設備的充電，當時吸引了很多人的注意，但是目前還沒有真正可行的產品問世。

便攜式燃料電池充電器

對于個人用戶而言，將燃料電池做為旅行中的備用充電器是一個最常見的應用。Horizon公司的99美元的便攜式燃料電池供電器MiniPAK已經投入市場，它的輸出功率為2W（400mA、5V），通過Horizon公司生產的HydroFill臺式加氫系統可以方便地給MiniPAK供電器“充電”，HydroFill臺式加氫系統操作簡單，只需在儲水罐內加入普通自來水，插入已經耗盡的儲氫暗盒后啟動裝置即可。在裝置內部水被分解成氫和氧，產生的氫氣將被儲存在儲氫暗盒之中，而氧氣則從裝置頂端的氣口排出。