任何便攜式設(shè)備都需要一個(gè)電池。沒有電池科技，我們將不會(huì)有手機(jī)、手提電腦或者其他消費(fèi)電子產(chǎn)品。對(duì)于鋰電池來說尤其如此。

自從上世紀(jì)80年代以來，電池研究已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。1980年代世界出現(xiàn)了第一代鋰金屬電池，在今天看來出現(xiàn)了復(fù)蘇的可能。在1991年，日本的索尼公司首次推出了鋰離子電池作為音樂播放器的電池，也許他們也沒有想到這會(huì)對(duì)世界產(chǎn)生如此巨大的影響。然而，現(xiàn)在出現(xiàn)了另外一個(gè)趨勢(shì)，即讓電池科技和電網(wǎng)相聯(lián)系起來。為了讓電動(dòng)汽車和電網(wǎng)正常運(yùn)行，我們就需要更大電池。研究人員也正在努力實(shí)現(xiàn)去鋰離子化，從而使電池達(dá)到一個(gè)新的高峰。

亞洲在鋰離子電池發(fā)展的霸主地位

1991年，自從索尼使用第一款商用鋰離子電池后，世界開始發(fā)生變化。在90年代，日本鋰離子電池設(shè)施類似于半導(dǎo)體晶圓廠。“電池發(fā)展開始從黑暗走向光明。”StevenVisco說。趕上了第一代鋰離子電池發(fā)展的時(shí)機(jī)，亞洲公司尤其是日本公司開始大力發(fā)展鋰離子電池相關(guān)的研究和專利。

當(dāng)傳統(tǒng)電池制造商還著眼于一次性電池的發(fā)展時(shí)，鋰離子電池的問世可以說是當(dāng)頭棒喝，給了美國(guó)市場(chǎng)非常大的震撼。經(jīng)過短暫的醒悟后，三家大型電池公司——金霸王，雷特威和勁量試圖進(jìn)入鋰離子電池行業(yè)，但是以失敗告終。

繼日本之后，韓國(guó)也開始發(fā)展鋰離子技術(shù)，之后是中國(guó)，而美國(guó)在這方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了。“現(xiàn)在電池行業(yè)又迎來了變革的時(shí)刻，對(duì)于美國(guó)來說可以說是千載難逢的時(shí)機(jī)。”因此美國(guó)也在這方面投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，以期能夠趕上亞洲公司。得益于這筆資金，許多電池制造商紛紛崛起，尤其是在硅谷。

專注于鋰離子電池

對(duì)于電池技術(shù)方面的資助資金高達(dá)3.25億美元，作為FY16預(yù)算的一部分。其中的一部分會(huì)進(jìn)行鋰離子電池相關(guān)研究，期望能夠獲得更好的電池標(biāo)準(zhǔn)。“目前的趨勢(shì)是制備更好的鋰離子電池電極。”GeorgeCrabtree說。

目前鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)電極是二氧化鈷。然而，為了制備下一代鋰離子電池，研究人員必須以二氧化鈷電極為基礎(chǔ)，摻雜其他元素來提高其性能。而該研究的重點(diǎn)是電壓。由鈷、鎳和二氧化錳材料組成的電極可以具有更好的性能。“鋰離子電池的電壓為4.5V，但是如果你可以增加電池的電壓，例如增加到4.8V，那么你就可以增加電能密度。”Crabtree說。

由于鋰離子電池已經(jīng)存在了超過25年，因此研究人員已經(jīng)對(duì)其非常了解，鋰離子電池中使用的材料也非常標(biāo)準(zhǔn)和成熟。鋰離子電池中使用的陽(yáng)極材料是石墨，而陰極材料則是氧化鈷或者二氧化鈷。近年來我們也經(jīng)常聽到由于鋰離子電池中電解質(zhì)的原因，會(huì)使得電池著火。

目前越來越多的電動(dòng)汽車走上了馬路，而在鋰離子電池中則具有很多液態(tài)的電解質(zhì)，而且這些電解質(zhì)非常易燃。目前對(duì)于鋰離子電池的一大擔(dān)心則是，隨著能量密度的增加，電池的安全性問題也會(huì)成為一大問題。我們面臨著很多的安全性方面的挑戰(zhàn)，但是我們可以通過電池設(shè)計(jì)等方面來加以避免。在電池中設(shè)置一個(gè)管理系統(tǒng)，可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)問題，可以將電池關(guān)閉。

在陽(yáng)極材料方面，碳是一種相對(duì)較重的材料，而且隨著電池尺寸的要求越來越微小，研究人員傾向于選擇其他材料作為電池陽(yáng)極。當(dāng)談到離子液態(tài)的電解質(zhì)在常溫下具有很高的鋰離子導(dǎo)電性，且不易燃、不易失。鋰金屬電池具有非常高的能量密度，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的鋰離子電池。這樣的電池可以有效減少制作成本。

超越鋰離子電池

隨著全世界電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，超越鋰離子電池的技術(shù)成為了競(jìng)相追逐的對(duì)象，而這從能源部汽車技術(shù)辦公室投資1.25億美元用于相關(guān)領(lǐng)域就能看得出來。其中5400萬美元和電池科技新材料相關(guān)。

和鋰離子電池不同的是，研究人員需要考慮用于三種不同部分的材料：陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。鋰—空氣電池是一個(gè)很好的例子。這種電池儲(chǔ)存的電量是傳統(tǒng)鋰離子電池的數(shù)倍，而這對(duì)于汽車等來說已經(jīng)足夠了。

PolyPlu電池公司在2000年左右發(fā)明了水穩(wěn)鋰電極，在鋰金屬電極附近形成一種陶瓷電解質(zhì)，從而可以保護(hù)電極免受外部環(huán)境的影響。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，該公司申請(qǐng)了發(fā)明專利，并且進(jìn)一步開發(fā)了水基鋰—空氣電池。目前PolyPlus公司正在著手開發(fā)一種鋰硫水溶液電池，其能力可達(dá)到600Wh/l和400Wh/kg。

空氣電池類似的另一類電池就是鋰—硫電池。然而，鋰—硫電池面臨的最大挑戰(zhàn)就是硫，且如何使得其表現(xiàn)為絕緣材料。當(dāng)硫和鋰接觸時(shí)，會(huì)形成復(fù)合物L(fēng)i2S，也是一種絕緣體。這意味著該反應(yīng)很難逆向進(jìn)行，從而使得其很難對(duì)電池進(jìn)行充電。

對(duì)于這個(gè)問題，人們提出了很多的解決方案。其中的一種方法就是，通過將Li2S的尺寸降低到納米級(jí)別來減小其影響。當(dāng)電極的尺寸降低到納米級(jí)別時(shí)，即使是絕緣體也有可能導(dǎo)電，從而使得反應(yīng)可以逆向進(jìn)行。

談到液流電池，研究人員將晶體電極換成了液體。“新的材料有時(shí)可以兩次改變釩氧化態(tài)，而一些有機(jī)材料則可能多次改變它們的氧化態(tài)。因此，從原則上來說，一些新材料比釩更好。”Crabtree.說。該種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是，由于選用的材料是有機(jī)材料，因此更加便宜。

儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心的研究人員目前為液態(tài)電池開辟了新的方向，通過這種改進(jìn)，研究人員可以更好地控制聚合物或者單個(gè)分子。另一項(xiàng)創(chuàng)新則是在聚合物之間構(gòu)建了聯(lián)系，從而獲得的材料比單個(gè)分子更大。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，研究人員可以借此用多孔膜過濾掉活性物質(zhì)，且價(jià)格非常低廉。

超越鋰離子電池技術(shù)的另一個(gè)方向則是使用鎂，因?yàn)殒V有兩個(gè)電荷，而鋰離子只有一個(gè)。但是每一次鎂離子在陰極和陽(yáng)極之間進(jìn)行來回運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以帶有兩個(gè)電荷，且其要求的陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)材料都不一樣，因此，研究人員需要尋找三種新材料。該儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了可以和鎂電極互相匹配工作的電解質(zhì)。但是這也仍然是在非常早期的研究階段，還不能滿足商業(yè)化的要求，但是具有非常大的研究?jī)r(jià)值。

暢想未來

對(duì)于電池技術(shù)來說，另一項(xiàng)革命即將要到來，就像1991年的一樣，沒有人可以預(yù)測(cè)到這場(chǎng)革命對(duì)人們的生活將到來什么樣的影響。當(dāng)市面上電動(dòng)車的部署達(dá)到50%時(shí)，新的革命就將要開始了。目前雖然市場(chǎng)份額只有2%到3%，但是前景非常明朗。就像半導(dǎo)體革命開始的時(shí)候那樣，有很多的進(jìn)步會(huì)發(fā)生，這對(duì)于電池的發(fā)展和商業(yè)化非常重要。對(duì)于全球來說，新一輪的競(jìng)賽已經(jīng)開始，美國(guó)也有實(shí)力與亞洲公司一較高下。