不可思议的新电池

在各种电子设备快速发展的同时，电池技术的发展却完全跟不上步伐。智能手机的电池能够支撑一天已经是难能可贵的了，移动电脑需要花费续航时间的一半时间来充电，而被视为节能环保先锋的电动车，大部分时间需要待在车库充电。按照摩尔定律，电脑设备的性能每两年翻一翻，然而，电池的性能每年提升只有约7%左右。看到这一数字，大家或许会疑惑不解，很明显，新的智能手机续航时间与此前的设备相比大有提升，那为什么只是7%呢？实际上，新一代移动设备续航时间的提升，完全依靠处理器性能和节能技术的提升，和电池技术的关系实在不大。

目前，凭借低重量和高能量密度的特点，锂离子电池主导市场，然而，现有电池技术已经走入了死胡同。幸运的是，新一代的锂离子电池基本上已经可以开始投入市场，它们存储能量的材料同样是锂，但是能量密度可以提升10倍（详见本文后面的介绍）。

更好的电池新材料

除此之外，研究人员也已经开始对其他材料和其他类型的电池进行研究，因为锂的能量密度实在是差强人意，其他的解决方案更好并且更便宜。而大自然也为我们提供了高端电池的最佳蓝图，研究人员已经开发了第一种有机的能源存储系统，不过，生物电池的真正应用起码会是10年以后的事情了（详见题图和本文后面的介绍），倒是通过振动和摩擦力产生能量的技术，可能会很快来到我们身边（详见本文后面的介绍）。

优化手机电池

根据市场研究公司Gartner的统计，今年售出的移动设备已经超过20亿个，而这些设备中几乎每一个都包含一个锂离子电池。因为锂离子电池很轻，所以在过去的几年锂离子电池已经成为了移动设备的标准配备。然而，锂离子电池的能量密度仅有150Wh/Kg～200Wh/Kg，只能达到理论上锂所能实现能量密度的1/10。导致这一问题的主要原因是材料：锂离子电池通过锂离子的移动实现充电或放电，在充电时，带正电的离子从阴极（电极中的正极）通过电解质溶液移动到阳极（电极中的负极），在那里锂离子插入石墨层并吸收充电电流的电子。放电时，锂离子返回到阴极，释放电子进入电路，在阴极它们将与金属（通常是钴）和氧结合。锂离子电池的存储容量取决于多少锂离子可以被置入石墨层之间，硅是可以更有效地在石墨中存储锂的材料。相比之下，6个碳原子才可以绑定1个锂离子，而1个硅原子就可以捕获4个锂离子。

硅增加了功率密度

当石墨层之间掺入硅时存储密度将急剧增加，然而，当它与锂结合后将扩大到约3～4倍，经过几个充电周期后将会对石墨层造成破坏。不过，由斯坦福大学的科学家建立的Amprius公司已经解决了这个问题。依靠Google的埃里克·施密特和诺贝尔奖得主史蒂芬楚（曾任美国能源部长）的支持，2013年Amprius研发的电池已经开始在部分移动设备上投入使用，Amprius通过3种方法来解决石墨问题，第一个是使用多孔硅，多孔硅就好像是一块海绵，在与锂结合时它几乎不变大，自然也就不会有影响石墨层完整性的问题。使用多孔硅的Amprius电池可存储的能量比普通的电池高50%，可以达到280Wh/Kg。

另一个方法是使用由硅制成的纳米管，其存储能力比多孔硅更强。使用纳米管的原型充电容量比使用多孔硅的电池差不多翻了一倍，达到350Wh/Kg。不过，海绵状的纳米管必须覆盖石墨，否则，硅将与电解质溶液起反应，随着时间的推移将分解。斯坦福大学的研究人员想出了第三种方法来解决这一问题：在碳外壳中插入硅颗粒，由于碳外壳中存在空间，因而，当硅颗粒与锂结合时，并不会破坏外壳。采用这种技术的原型在1 000次充放电过程中容量只下降了3%，比以往所有的解决方案都好。

比锂离子更强大的电池

电池的效能与化学物质的能量密度直接相关，锂硫或金属和空气等许多材料的组合比现有的材料要好得多。锂硫电池改进了锂离子电池的阴极，硫在阴极可以和硅一样吸收更多的锂，实现高达350Wh/Kg的能量密度。目前开发的锂硫电池原型已经超过了锂离子电池的能量密度，并且它们还远没有达到自己的极限。两个问题影响了锂硫电池的效能而使其无法达到理论上的能量密度：实践中，如果在阳极上单纯使用锂是很困难的，因为它会与电解质发生反应。而硫也是一样，放电反应的中间产物会大量溶解于电解质中，大量的聚硫化锂溶解并扩散于电解质中会导致正极活性物质的流失，从而降低电池的循环寿命，这样的电池再好也只能够持续几个充电周期。

不过，德国弗劳恩霍夫的研究团队已经找到了保护硫的方法，他们通过遮盖碳涂层的方法，保护硫和阳极，所设计的原型目前可以持续2 000个充电周期。研究人员预计，2020年，能量密度高达600Wh/Kg的锂硫电池将可以投放市场，能量密度是目前锂离子电池能量密度的3倍。由美国加利福尼亚伯克利大学开发的锂硫电池也同样达到了这一效能。伯克利大学的研究人员在阴极上，将碳化合物石墨烯和沉积的硫覆以CTAB（十六烷基三甲基溴化铵），当锂被同化后，硫扩大75%，CTAB仍然可以保持不变。此外，研究者们还开发了不与锂发生反应的电解质，这种电池可以在能量密度高达500Wh/Kg的情况下支持1 500次的充电周期。

通过金属和空气储存能量

目前，锂离子电池必须是气密的，否则锂将与空气中的氧产生反应。而通过金属和空气储存能量的金属空气电池能够利用该反应：在放电过程中，阳极的金属原子与空气中的氧发生反应放出电子，然后它们以离子的形式通过电解质迁移到阴极。其能量密度可以高达1 100Wh/Kg，轻松超越锂离子电池。锌空气电池已经存在了几十年，但在放电过程中的锌会出现问题。为了防止这种情况的发生，在金属空气电池中，氧气必须在充电过程中从阴极处逸出，使锌再次形成金属离子。此外，这将需要一个类似氢氧化钾之类的特殊催化剂，保护锌电极使其不会被不慎氧化。

普通的锌空气电池已经具有媲美锂离子电池的能量密度，目前，类似的电池已经开始使用，例如在一些助听器上。此外，也有公司正通过类似的技术开发高分子催化剂的可印刷电池，对于类似的小型设备，锌空气电池是非常适合的，因为它非常灵活。但是由于锌空气电池需要恒定地进行空气交换，所以它并不是太适合移动电脑。不过，它们却非常适合应用于电动车，因为它们不包含任何易燃物质。而且锌空气电池存储的能量几十年也几乎不怎么流失，因而，它们也适合应用于智能电网，美国EOS储能公司已经准备在2014年推出此类存储设备。

利用大自然的力量

目前市场上仍然只有固体材料制作的电池，不过，长期以来液体电池的研究从未间断：两种溶解的金属盐存储于两个相邻的容器，它们通过水泵等方式运动并通过渗透膜进行接触，离子交换从而使电池放电，并可以通过直接更换金属盐溶解液的方式进行充电。这种特殊的电池对于电动车特别有意义，因为它可以像加油一样地快速完成充电。加油的过程就是置换金属盐溶解液的过程，换上新的金属盐溶解液，电池就充满了电，而更换下来的液体可以重新进行还原处理。在日内瓦车展上亮相的电动车Quant e使用的就是这种类似的电池，它配备两个容量高达400L的电池仓，分别存储两种不同的电池液，它的重量达两吨，但里程可以高达600Km。许多人估计Quant e可能永远不会量产，因为液体电池的电池液通常含有昂贵并且有毒的物质，例如钒，另外它还缺少一个强大的渗透膜。

液体电池的问题目前只有在实验室里可以解决，在麻省理工学院，已经研究出一种不需要膜的液体电池，电池的两种液体在进行离子交换的过程中不需要混合，正、负极之间不需要隔膜，所以也就不存在容易被反应生成物氢溴酸腐蚀的问题，在这种情况下，钒液体电池的能量密度可以再次加倍。

生物电池胜过其他方案

有机材料非常适合作为能量载体，它们的价格合理，并且通常不具有毒性。来自哈佛大学的研究人员已成功开发出一种通过蒽醌-2，6-二磺酸钠（Anthraquinone-2，6-Disulfonic Acid Disodium Salt，简称AQDS）存储能量的液体电池，AQDS是一种从大黄中提取的天然产品。不过，电池并不完全是有机材料，它还需要溴，这种生物电池的能量密度高达6 000W/m2，比钒液体电池（800W/m2）还要强大。并且其成本明显降低，钒的成本高达每千瓦时80欧元，而AQDS的成本只需27欧元。目前，还不清楚生物电池是否能够支持数千次充电周期，但它已经成功地维持数百个充电周期。

和大黄电池一样，美国弗吉尼亚理工大学的糖空气电池同样强大，糖空气电池达到目前锂离子电池的10倍能量密度。麦芽糊精制成的阳极漂浮一系列不同的酶中，并依次分解释放电子。虽然该研究的负责人预言，他们的糖电池很可能在3年内被应用到移动设备上，但是以往类似的生物电池预测已经证明这通常是不切实际的。索尼在7年前也曾经宣布了一项生物电池的应用，但是至今没有任何进展。生物电池的历史经验告诉我们，生物电池需要很长的开发时间，很可能10年后我们也未必有能力将大自然的力量运用于电池中。

没有充电插座

未来，电力不仅是来自电池和插座，我们即使在旷野之中也能够获得电能供智能手机使用。美国和中国的材料研究人员研制出的微小发电机，能够将最微弱的振动转化为电能。该发电机可以通过一种PVDF（聚偏二氟乙烯）压电聚合物，将机械能转化为电能。这种塑料通常用于密封涂层和过滤器，可以在扬声器和麦克风上使用。用于发电机的制造，PVDF化合物中将夹杂氧化锌的颗粒，然后使用盐酸将氧化锌腐蚀掉。这将留下孔洞，成为一个柔性材料制成的海绵状结构，可以极为灵敏地对所有类型的振动做出反应。

在制造过程中，得到的PVDF膜两面可以加上薄铜箔作为电极，然后这种纳米发电机可以被安装在智能手机上，我们可以将其放在副驾驶座位上，然后驾驶汽车时就可以自动为智能手机充电。目前，该发动机的原型在40Hz的振动下峰值可以达到11V和9.8μA。PVDF纳米发电机的另一个优点是，所用的材料都是廉价并且无毒的。理论上，PVDF纳米发电机甚至可以植入人体内作为动力源。除此之外，纳米发电机还可以作用于微型传感器，成为一种从无线电波获得能量的充电装置。

从无线电波获取能量

据专家预测，到2020年将有超过500亿微型设备需要相互通信，它们需要能源，但对于安装在路边或者野外的传感器来说如何充电是个问题。为此，美国华盛顿大学研究人员已经开发出一种基于无线电的通讯系统，它能够从传送电视和移动无线电信号中获取能量。虽然获取的能量很低，但是用于发送消息是足够用的。在实际的测试中，该系统使用电视台信号灯能量可以传送多达每秒1 000位的数据，辐射范围从800m～11Km。

我们也可以将自己每一个身体运动的些许能量转换成电能，自行车上通过脚踏产生电力的发电机就是最好的例子。如果我们也可以利用这种能量来为智能手机充电，那就非常好了。为此，美国佐治亚理工学院的研究人员设计了一个发电机，可以通过摩擦产生电力。这个发电机有4个扁平的圆盘重叠在一起，其中3个被永久固定，看起来像层层叠放的蛋糕。电极安装在圆盘的顶部，当圆盘移动时，转子磨擦位于下方的镀金片产生电压。因此，该发电机可以产生一个稳定的交流电力，电压高达1.5W。整个装置体积非常小，直径为100mm，体积600mm3，重量只有1.1g，适合放进口袋里。未来，我们将可以随身携带一个动力源。