不可思議的新電池

在各種電子設備快速發展的同時，電池技術的發展卻完全跟不上步伐。智能手機的電池能夠支撐一天已經是難能可貴的了，移動電腦需要花費續航時間的一半時間來充電，而被視為節能環保先鋒的電動車，大部分時間需要待在車庫充電。按照摩爾定律，電腦設備的性能每兩年翻一翻，然而，電池的性能每年提升只有約7%左右。看到這一數字，大家或許會疑惑不解，很明顯，新的智能手機續航時間與此前的設備相比大有提升，那為什么只是7%呢？實際上，新一代移動設備續航時間的提升，完全依靠處理器性能和節能技術的提升，和電池技術的關系實在不大。

目前，憑借低重量和高能量密度的特點，鋰離子電池主導市場，然而，現有電池技術已經走入了死胡同。幸運的是，新一代的鋰離子電池基本上已經可以開始投入市場，它們存儲能量的材料同樣是鋰，但是能量密度可以提升10倍（詳見本文后面的介紹）。

更好的電池新材料

除此之外，研究人員也已經開始對其他材料和其他類型的電池進行研究，因為鋰的能量密度實在是差強人意，其他的解決方案更好并且更便宜。而大自然也為我們提供了高端電池的最佳藍圖，研究人員已經開發了第一種有機的能源存儲系統，不過，生物電池的真正應用起碼會是10年以后的事情了（詳見題圖和本文后面的介紹），倒是通過振動和摩擦力產生能量的技術，可能會很快來到我們身邊（詳見本文后面的介紹）。

優化手機電池

根據市場研究公司Gartner的統計，今年售出的移動設備已經超過20億個，而這些設備中幾乎每一個都包含一個鋰離子電池。因為鋰離子電池很輕，所以在過去的幾年鋰離子電池已經成為了移動設備的標準配備。然而，鋰離子電池的能量密度僅有150Wh/Kg～200Wh/Kg，只能達到理論上鋰所能實現能量密度的1/10。導致這一問題的主要原因是材料：鋰離子電池通過鋰離子的移動實現充電或放電，在充電時，帶正電的離子從陰極（電極中的正極）通過電解質溶液移動到陽極（電極中的負極），在那里鋰離子插入石墨層并吸收充電電流的電子。放電時，鋰離子返回到陰極，釋放電子進入電路，在陰極它們將與金屬（通常是鈷）和氧結合。鋰離子電池的存儲容量取決于多少鋰離子可以被置入石墨層之間，硅是可以更有效地在石墨中存儲鋰的材料。相比之下，6個碳原子才可以綁定1個鋰離子，而1個硅原子就可以捕獲4個鋰離子。

硅增加了功率密度

當石墨層之間摻入硅時存儲密度將急劇增加，然而，當它與鋰結合后將擴大到約3～4倍，經過幾個充電周期后將會對石墨層造成破壞。不過，由斯坦福大學的科學家建立的Amprius公司已經解決了這個問題。依靠Google的埃里克·施密特和諾貝爾獎得主史蒂芬楚（曾任美國能源部長）的支持，2013年Amprius研發的電池已經開始在部分移動設備上投入使用，Amprius通過3種方法來解決石墨問題，第一個是使用多孔硅，多孔硅就好像是一塊海綿，在與鋰結合時它幾乎不變大，自然也就不會有影響石墨層完整性的問題。使用多孔硅的Amprius電池可存儲的能量比普通的電池高50%，可以達到280Wh/Kg。

另一個方法是使用由硅制成的納米管，其存儲能力比多孔硅更強。使用納米管的原型充電容量比使用多孔硅的電池差不多翻了一倍，達到350Wh/Kg。不過，海綿狀的納米管必須覆蓋石墨，否則，硅將與電解質溶液起反應，隨著時間的推移將分解。斯坦福大學的研究人員想出了第三種方法來解決這一問題：在碳外殼中插入硅顆粒，由于碳外殼中存在空間，因而，當硅顆粒與鋰結合時，并不會破壞外殼。采用這種技術的原型在1 000次充放電過程中容量只下降了3%，比以往所有的解決方案都好。

比鋰離子更強大的電池

電池的效能與化學物質的能量密度直接相關，鋰硫或金屬和空氣等許多材料的組合比現有的材料要好得多。鋰硫電池改進了鋰離子電池的陰極，硫在陰極可以和硅一樣吸收更多的鋰，實現高達350Wh/Kg的能量密度。目前開發的鋰硫電池原型已經超過了鋰離子電池的能量密度，并且它們還遠沒有達到自己的極限。兩個問題影響了鋰硫電池的效能而使其無法達到理論上的能量密度：實踐中，如果在陽極上單純使用鋰是很困難的，因為它會與電解質發生反應。而硫也是一樣，放電反應的中間產物會大量溶解于電解質中，大量的聚硫化鋰溶解并擴散于電解質中會導致正極活性物質的流失，從而降低電池的循環壽命，這樣的電池再好也只能夠持續幾個充電周期。

不過，德國弗勞恩霍夫的研究團隊已經找到了保護硫的方法，他們通過遮蓋碳涂層的方法，保護硫和陽極，所設計的原型目前可以持續2 000個充電周期。研究人員預計，2020年，能量密度高達600Wh/Kg的鋰硫電池將可以投放市場，能量密度是目前鋰離子電池能量密度的3倍。由美國加利福尼亞伯克利大學開發的鋰硫電池也同樣達到了這一效能。伯克利大學的研究人員在陰極上，將碳化合物石墨烯和沉積的硫覆以CTAB（十六烷基三甲基溴化銨），當鋰被同化后，硫擴大75%，CTAB仍然可以保持不變。此外，研究者們還開發了不與鋰發生反應的電解質，這種電池可以在能量密度高達500Wh/Kg的情況下支持1 500次的充電周期。

通過金屬和空氣儲存能量

目前，鋰離子電池必須是氣密的，否則鋰將與空氣中的氧產生反應。而通過金屬和空氣儲存能量的金屬空氣電池能夠利用該反應：在放電過程中，陽極的金屬原子與空氣中的氧發生反應放出電子，然后它們以離子的形式通過電解質遷移到陰極。其能量密度可以高達1 100Wh/Kg，輕松超越鋰離子電池。鋅空氣電池已經存在了幾十年，但在放電過程中的鋅會出現問題。為了防止這種情況的發生，在金屬空氣電池中，氧氣必須在充電過程中從陰極處逸出，使鋅再次形成金屬離子。此外，這將需要一個類似氫氧化鉀之類的特殊催化劑，保護鋅電極使其不會被不慎氧化。

普通的鋅空氣電池已經具有媲美鋰離子電池的能量密度，目前，類似的電池已經開始使用，例如在一些助聽器上。此外，也有公司正通過類似的技術開發高分子催化劑的可印刷電池，對于類似的小型設備，鋅空氣電池是非常適合的，因為它非常靈活。但是由于鋅空氣電池需要恒定地進行空氣交換，所以它并不是太適合移動電腦。不過，它們卻非常適合應用于電動車，因為它們不包含任何易燃物質。而且鋅空氣電池存儲的能量幾十年也幾乎不怎么流失，因而，它們也適合應用于智能電網，美國EOS儲能公司已經準備在2014年推出此類存儲設備。

利用大自然的力量

目前市場上仍然只有固體材料制作的電池，不過，長期以來液體電池的研究從未間斷：兩種溶解的金屬鹽存儲于兩個相鄰的容器，它們通過水泵等方式運動并通過滲透膜進行接觸，離子交換從而使電池放電，并可以通過直接更換金屬鹽溶解液的方式進行充電。這種特殊的電池對于電動車特別有意義，因為它可以像加油一樣地快速完成充電。加油的過程就是置換金屬鹽溶解液的過程，換上新的金屬鹽溶解液，電池就充滿了電，而更換下來的液體可以重新進行還原處理。在日內瓦車展上亮相的電動車Quant e使用的就是這種類似的電池，它配備兩個容量高達400L的電池倉，分別存儲兩種不同的電池液，它的重量達兩噸，但里程可以高達600Km。許多人估計Quant e可能永遠不會量產，因為液體電池的電池液通常含有昂貴并且有毒的物質，例如釩，另外它還缺少一個強大的滲透膜。

液體電池的問題目前只有在實驗室里可以解決，在麻省理工學院，已經研究出一種不需要膜的液體電池，電池的兩種液體在進行離子交換的過程中不需要混合，正、負極之間不需要隔膜，所以也就不存在容易被反應生成物氫溴酸腐蝕的問題，在這種情況下，釩液體電池的能量密度可以再次加倍。

生物電池勝過其他方案

有機材料非常適合作為能量載體，它們的價格合理，并且通常不具有毒性。來自哈佛大學的研究人員已成功開發出一種通過蒽醌-2，6-二磺酸鈉（Anthraquinone-2，6-Disulfonic Acid Disodium Salt，簡稱AQDS）存儲能量的液體電池，AQDS是一種從大黃中提取的天然產品。不過，電池并不完全是有機材料，它還需要溴，這種生物電池的能量密度高達6 000W/m2，比釩液體電池（800W/m2）還要強大。并且其成本明顯降低，釩的成本高達每千瓦時80歐元，而AQDS的成本只需27歐元。目前，還不清楚生物電池是否能夠支持數千次充電周期，但它已經成功地維持數百個充電周期。

和大黃電池一樣，美國弗吉尼亞理工大學的糖空氣電池同樣強大，糖空氣電池達到目前鋰離子電池的10倍能量密度。麥芽糊精制成的陽極漂浮一系列不同的酶中，并依次分解釋放電子。雖然該研究的負責人預言，他們的糖電池很可能在3年內被應用到移動設備上，但是以往類似的生物電池預測已經證明這通常是不切實際的。索尼在7年前也曾經宣布了一項生物電池的應用，但是至今沒有任何進展。生物電池的歷史經驗告訴我們，生物電池需要很長的開發時間，很可能10年后我們也未必有能力將大自然的力量運用于電池中。

沒有充電插座

未來，電力不僅是來自電池和插座，我們即使在曠野之中也能夠獲得電能供智能手機使用。美國和中國的材料研究人員研制出的微小發電機，能夠將最微弱的振動轉化為電能。該發電機可以通過一種PVDF（聚偏二氟乙烯）壓電聚合物，將機械能轉化為電能。這種塑料通常用于密封涂層和過濾器，可以在揚聲器和麥克風上使用。用于發電機的制造，PVDF化合物中將夾雜氧化鋅的顆粒，然后使用鹽酸將氧化鋅腐蝕掉。這將留下孔洞，成為一個柔性材料制成的海綿狀結構，可以極為靈敏地對所有類型的振動做出反應。

在制造過程中，得到的PVDF膜兩面可以加上薄銅箔作為電極，然后這種納米發電機可以被安裝在智能手機上，我們可以將其放在副駕駛座位上，然后駕駛汽車時就可以自動為智能手機充電。目前，該發動機的原型在40Hz的振動下峰值可以達到11V和9.8μA。PVDF納米發電機的另一個優點是，所用的材料都是廉價并且無毒的。理論上，PVDF納米發電機甚至可以植入人體內作為動力源。除此之外，納米發電機還可以作用于微型傳感器，成為一種從無線電波獲得能量的充電裝置。

從無線電波獲取能量

據專家預測，到2020年將有超過500億微型設備需要相互通信，它們需要能源，但對于安裝在路邊或者野外的傳感器來說如何充電是個問題。為此，美國華盛頓大學研究人員已經開發出一種基于無線電的通訊系統，它能夠從傳送電視和移動無線電信號中獲取能量。雖然獲取的能量很低，但是用于發送消息是足夠用的。在實際的測試中，該系統使用電視臺信號燈能量可以傳送多達每秒1 000位的數據，輻射范圍從800m～11Km。

我們也可以將自己每一個身體運動的些許能量轉換成電能，自行車上通過腳踏產生電力的發電機就是最好的例子。如果我們也可以利用這種能量來為智能手機充電，那就非常好了。為此，美國佐治亞理工學院的研究人員設計了一個發電機，可以通過摩擦產生電力。這個發電機有4個扁平的圓盤重疊在一起，其中3個被永久固定，看起來像層層疊放的蛋糕。電極安裝在圓盤的頂部，當圓盤移動時，轉子磨擦位于下方的鍍金片產生電壓。因此，該發電機可以產生一個穩定的交流電力，電壓高達1.5W。整個裝置體積非常小，直徑為100mm，體積600mm3，重量只有1.1g，適合放進口袋里。未來，我們將可以隨身攜帶一個動力源。