未來的電池技術將超越鋰電池

宋若函

在技術領域，人們通常都期望能提高性能。在這種增強技術的研發上投入的時間和金錢的多少顯然取決于其利害關系。集成電路就是一個很好的例子，隨著時間的推移，集成電路的性能得到了顯著的提升，其物理極限已近在眼前，然而電池技術的發展經過了幾十年仍然處于初期階段。這就引出了一個問題，電池技術的發展方向是什么？

可充電電池以前主要應用在消費類電子產品（手機、筆記本電腦）上，但電動自行車市場也發展得十分迅猛。由于每輛電動自行車要使用幾十個鋰電池單元，因此成為了鋰電池應用的重要領域。人們正在針對這些主要的應用領域進行大量研究以提高其性能，并且取得了顯著的成效。

然而，未來的主要驅動力是兩個更新的應用領域：電動汽車和能源儲存。這種觀點認為，在不久的將來，電動汽車將成為常態，能源儲存將成為一種必要，從而對于大多數家庭來說最終保證電網的穩定和價格的合理。這會產生比原來高出許多個數量級的需求，這說明在電池研發上的巨額投資是合理的，而這一切正在發生。

新的電池技術是如何成功（或失敗）的

新技術的研發總是從實驗室開始，在那里，一個或大或小的科學家團隊致力于改進現有的工藝，或從根本上研究新的方法。改進的一個例子就是可使電池容量和單位輸出量（每kg或每Wh）逐漸增長的新型電解質以及鋰電池的其他部分。有可靠證據表明，這類研究可以說是成功機會最大的。還應該指出的是，這些提升性能的研究通常是由那些有研發預算的供應商提供資金。這與獨立研究人員的情況完全不同，雖然他們可能有著雄心壯志，但是一個結果未知的研發項目想要獲得融資要困難很多。

接下來的問題是從實驗室開始，通過試運行，一直到大規模生產的轉化步驟。許多非常有前景的項目（例如“相同形式要素的雙倍容量”等）并沒有在給定的預算內將實驗結果可靠地轉化至試運行階段，這會有力地阻止風險資本家和其他金融企業的進一步投資。極有可能的是，只有科學家們有了更多的時間和金錢，才能進入下一個階段。

但即使試運行成功，最重要的一步也尚未到來。特別是大規模生產不僅需要足夠穩定和可重復的工藝流程，還往往與可接受的成本有關。這就是許多有潛力成功（在試運行中）的項目失敗的原因，因為它們沒有足夠快地生產出適應市場的產品。

對于財力雄厚的大公司來說，在它們是利益相關者時，技術提升的過程就要容易得多。研發團隊可以從內部獲得資金，因此時間不是問題。

IBM研究院、梅賽德斯和其他公司

“包括鎳、鈷等重金屬在內的許多電池原材料都對環境和人類構成了巨大的威脅。特別是鈷，這種在非洲中部很常見的礦產，因其剝削式的粗放開采過程而受到抨擊。”上述文字摘自IBM研究院的博客。

IBM的研究團隊使用了3種全新的、不同以往的專利材料，以前從未有記錄顯示在電池中添加過這些材料，他們發現了一種可用于新型電池的化學反應，這種電池不使用重金屬或其他涉及資源環境問題的物質。這種電池材料可以從海水中提取，與目前的原材料開采方式相比，這為資源破壞性較低的技術奠定了基礎。

“與這種新電池的成分同樣有前景的是它的性能潛力。初期測試證明，它在許多方面的優化性能都超越了鋰電池，其成本更低、充電速度更快、功率更強、能量密度更高，擁有強大的能源效率和較低的可燃性。”IBM研究院這樣表示。

優于鋰電池

IBM研究院的電池實驗室發現了這種設計，它使用了一種不含鈷和鎳的陰極材料，以及一種具有高燃點的安全的液體電解質。這種陰極材料和電解液的獨特結合在充電過程中展現出了優于鋰金屬枝晶的能力，從而降低了可燃性。易燃被廣泛認為是使用鋰金屬作為陽極材料的一個重大缺陷。

這種電池不僅在上述應用中表現出了超越現有鋰電池的能力，而且還可以在一系列具體的性能方面進行優化，包括：

1.成本較低。活性陰極材料往往成本較低，因為它們不含鈷、鎳及其他重金屬。這些金屬材料通常是資源密集型的，也引起了人們對其可持續性的擔憂。

2.充電速度更快。在不考慮一定放電容量的情況下，達到80%的電量（SOC）只需要不到5 min。

3.功率密度高。大于10 000 W/L（超過了鋰電池技術所能達到的功率水平之上）。

4.能量密度高。大于800 Wh/L，可與最先進的鋰電池媲美。

5.能量效率卓越。大于90%（根據電池放電能量與電池充電能量之比計算的結果）。

6.電解液易燃性低。

7.從實驗室到工業。

據IBM稱：“為了將新電池從探索性研究的早期階段推向商業開發階段，IBM研究院與梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）北美研發中心、全球頂尖的電池電解液供應商之一日本中央硝子株式會社（Central Glass）以及電池制造商Sidus合作，一同創造新一代的電池發展生態系統。”

（來源：www.bike-eu.com）