你的手機一天充幾次電？

敖顯奎

意大利解剖學家伽伐尼從青蛙的大腿上受啟發發明電池后，這一行業已有200年的發展歷史。鋰電池因為相比于鎳電池的高能、環保，能量密度大、電壓較高、可長時間存放等特點，近年來迅猛發展，成為時下手機行業的唯一源動力。2019年，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B.Goodenough），邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（M.Stanley Whittingham）和吉野彰三位科學家因為在鋰電池上的卓越貢獻被授予了2019年諾貝爾化學獎！

“易燃易爆炸”

鋰電池的發展也經歷了一段漫長的時間，最初的鋰電池甚至沒有二次充電的功能，而現在市面上的鋰離子電池則輕便實用，廣泛用于時下諸多流行電子產品中。金屬鋰外只有一個電子，很容易失去，化學性質特別“活潑”，鋰電池的充放電過程就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程，這是它成為電池界“寵兒”的優勢。

與此同時，鋰的優勢也成就了它的弱點——易燃易爆炸。美國著名私營電池材料開發商Ionic Materials創始人邁克·齊默爾曼（M i k e Zimmerman）甚至表示：口袋里有部智能手機就像口袋里揣著煤油一樣。2016年，某知名手機品牌的“電池門”事件便是最好的佐證。此外，即便鋰電池已是目前公認的、被推廣的最佳移動電源解決方案，但它“出眾”的續航能力仍然無法滿足人們的日常需求。更大的發光屏幕、更快的處理速度、更快的數據傳輸、更輕薄時尚的設計，這些都意味著許多智能手機的電量很難支持使用一整天。在使用兩年后，很多設備的電池續航時間都會急劇縮短，不得不被扔進垃圾堆。

相關預測顯示，2022年，全球的電池市場規模將達到250億美元。未來十年，5G入場，手機能耗更高，人們對電池續航能力的呼聲在持續增大。鋰電池還有多少“寶藏”可以挖掘？

注定曲折的發展

電池的出現是空氣污染使然。 20 世紀中葉，世界上燃油車數量劇增，排放的尾氣加劇了城市的空氣污染。加上人們日益認識到石油是一種不可再生資源，這給汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。為了生存，它們需要投資電動汽車和新能源。在這樣的壓力下，電池被研制出來。

鋰電池出來之后，很快“上崗”工作，并快速地走紅。人們普遍認為它的工作原理是電池內部帶電粒子在電池內部以單一，均勻的方向流動。2018年9月，“路透社”報道稱，斯坦福大學、麻省理工學院和巴斯大學一項共同研究發現，鋰離子在電解質中的運動是來回循環的。由此，電池內部產生隨機密集的離子，從而產生大量熱量，損壞電池的使用壽命。電池發燙的情況在我們的生活中仍隨處可見。鋰電池直到現在都仍在曲折的發展。

鋰電池問世后，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器，并使用越來越復雜的工具。對鋰離子電池的每一次改進，都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環壽命，這意味著電池的性能下降得更快。不斷有人在電池的這四個部分嘗試新的材料，鋰離子的潛力正在接近其理論極限。

更安全、更持久的電池從哪來

人們對于電池的訴求也比較直觀——更安全、更長久。這一點是科學家們長年來一直在努力的方向，當然也是非常難以攻克的，他們嘗試了很多種方法，我們現在仍在使用著會發燙、并且需要反復充電的手機等電子產品。

事實上，在鋰電池中的鋰事實上只占2%左右，科學家們正在嘗試通過不同的方法來提高鋰電池的含量，如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，它可能會帶來增加十倍的能量密度。科學家們還嘗試過利用硅來替代鋰電池的石墨陽極，一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。當然，在提高鋰電池性能之前，安全才是第一位的，讓我們拭目以待吧。（編輯/侯幫虎）