未來的電池技術(shù)將超越鋰電池

宋若函

在技術(shù)領(lǐng)域，人們通常都期望能提高性能。在這種增強(qiáng)技術(shù)的研發(fā)上投入的時(shí)間和金錢的多少顯然取決于其利害關(guān)系。集成電路就是一個(gè)很好的例子，隨著時(shí)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(shù)的發(fā)展經(jīng)過了幾十年仍然處于初期階段。這就引出了一個(gè)問題，電池技術(shù)的發(fā)展方向是什么？

可充電電池以前主要應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品（手機(jī)、筆記本電腦）上，但電動(dòng)自行車市場(chǎng)也發(fā)展得十分迅猛。由于每輛電動(dòng)自行車要使用幾十個(gè)鋰電池單元，因此成為了鋰電池應(yīng)用的重要領(lǐng)域。人們正在針對(duì)這些主要的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)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(qū)動(dòng)力是兩個(gè)更新的應(yīng)用領(lǐng)域：電動(dòng)汽車和能源儲(chǔ)存。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，在不久的將來，電動(dòng)汽車將成為常態(tài)，能源儲(chǔ)存將成為一種必要，從而對(duì)于大多數(shù)家庭來說最終保證電網(wǎng)的穩(wěn)定和價(jià)格的合理。這會(huì)產(chǎn)生比原來高出許多個(gè)數(shù)量級(jí)的需求，這說明在電池研發(fā)上的巨額投資是合理的，而這一切正在發(fā)生。

新的電池技術(shù)是如何成功（或失?。┑?/p>

新技術(shù)的研發(fā)總是從實(shí)驗(yàn)室開始，在那里，一個(gè)或大或小的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)致力于改進(jìn)現(xiàn)有的工藝，或從根本上研究新的方法。改進(jìn)的一個(gè)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(zhǎng)的新型電解質(zhì)以及鋰電池的其他部分。有可靠證據(jù)表明，這類研究可以說是成功機(jī)會(huì)最大的。還應(yīng)該指出的是，這些提升性能的研究通常是由那些有研發(fā)預(yù)算的供應(yīng)商提供資金。這與獨(dú)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(gè)結(jié)果未知的研發(fā)項(xiàng)目想要獲得融資要困難很多。

接下來的問題是從實(shí)驗(yàn)室開始，通過試運(yùn)行，一直到大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化步驟。許多非常有前景的項(xiàng)目（例如“相同形式要素的雙倍容量”等）并沒有在給定的預(yù)算內(nèi)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠地轉(zhuǎn)化至試運(yùn)行階段，這會(huì)有力地阻止風(fēng)險(xiǎn)資本家和其他金融企業(yè)的進(jìn)一步投資。極有可能的是，只有科學(xué)家們有了更多的時(shí)間和金錢，才能進(jìn)入下一個(gè)階段。

但即使試運(yùn)行成功，最重要的一步也尚未到來。特別是大規(guī)模生產(chǎn)不僅需要足夠穩(wěn)定和可重復(fù)的工藝流程，還往往與可接受的成本有關(guān)。這就是許多有潛力成功（在試運(yùn)行中）的項(xiàng)目失敗的原因，因?yàn)樗鼈儧]有足夠快地生產(chǎn)出適應(yīng)市場(chǎng)的產(chǎn)品。

對(duì)于財(cái)力雄厚的大公司來說，在它們是利益相關(guān)者時(shí)，技術(shù)提升的過程就要容易得多。研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以從內(nèi)部獲得資金，因此時(shí)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(nèi)的許多電池原材料都對(duì)環(huán)境和人類構(gòu)成了巨大的威脅。特別是鈷，這種在非洲中部很常見的礦產(chǎn)，因其剝削式的粗放開采過程而受到抨擊?！鄙鲜鑫淖终訧BM研究院的博客。

IBM的研究團(tuán)隊(duì)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(fā)現(xiàn)了一種可用于新型電池的化學(xué)反應(yīng)，這種電池不使用重金屬或其他涉及資源環(huán)境問題的物質(zhì)。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(shù)奠定了基礎(chǔ)。

“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(cè)試證明，它在許多方面的優(yōu)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(qiáng)、能量密度更高，擁有強(qiáng)大的能源效率和較低的可燃性?！盜BM研究院這樣表示。

優(yōu)于鋰電池

IBM研究院的電池實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)，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(diǎn)的安全的液體電解質(zhì)。這種陰極材料和電解液的獨(dú)特結(jié)合在充電過程中展現(xiàn)出了優(yōu)于鋰金屬枝晶的能力，從而降低了可燃性。易燃被廣泛認(rèn)為是使用鋰金屬作為陽極材料的一個(gè)重大缺陷。

這種電池不僅在上述應(yīng)用中表現(xiàn)出了超越現(xiàn)有鋰電池的能力，而且還可以在一系列具體的性能方面進(jìn)行優(yōu)化，包括：

1.成本較低?；钚躁帢O材料往往成本較低，因?yàn)樗鼈儾缓?、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(duì)其可持續(xù)性的擔(dān)憂。

2.充電速度更快。在不考慮一定放電容量的情況下，達(dá)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(shù)所能達(dá)到的功率水平之上）。

4.能量密度高。大于800 Wh/L，可與最先進(jìn)的鋰電池媲美。

5.能量效率卓越。大于90%（根據(jù)電池放電能量與電池充電能量之比計(jì)算的結(jié)果）。

6.電解液易燃性低。

7.從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)。

據(jù)IBM稱：“為了將新電池從探索性研究的早期階段推向商業(yè)開發(fā)階段，IBM研究院與梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）北美研發(fā)中心、全球頂尖的電池電解液供應(yīng)商之一日本中央硝子株式會(huì)社（Central Glass）以及電池制造商Sidus合作，一同創(chuàng)造新一代的電池發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

（來源：www.bike-eu.com）