不久前，中國(guó)科學(xué)家開發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰電池，未來有望在地球極寒地區(qū)，甚至外太空使用，聽起來真是“吊炸天”。

據(jù)研究人員稱，這種新電池使用的材料成本不高，還環(huán)保，但要想將其商業(yè)化尚有待時(shí)日，主要問題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰電池。那么，電池技術(shù)何時(shí)才能有革命性的突破?

傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)接近瓶頸

“消費(fèi)電子、汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)是目前電池主要應(yīng)用的三個(gè)行業(yè)。我把這三個(gè)行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊螅虼怂褂玫碾姵匾部赡?有時(shí))大不相同。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實(shí)、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而對(duì)于汽車電池行業(yè)而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命(如果新特斯拉每?jī)赡晷枰鼡Q一次新電池，你會(huì)抓狂的)就變得十分重要。用于存儲(chǔ)房屋和電網(wǎng)的電力的電池對(duì)重量或尺寸要求則不高。”美國(guó)能源存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心研究與開發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說。

幾乎電子行業(yè)的每一個(gè)部分都需要電池，從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制。《電源雜志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出，“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多，這是電池本身的局限性，你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個(gè)月的電池。因?yàn)椋鎯?chǔ)在電池中的最大能量是由固有的元素決定。”

1991年，索尼推出首個(gè)商用鋰電池，鋰電池沿用至今被稱為主流的電子設(shè)備電池技術(shù)。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素，擁有著更小、更輕、能量密度更高的特性，所以迅速取代了鎳電池。

在鋰電池的構(gòu)成物質(zhì)中，有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料，但要靠著“鋰離子”這個(gè)元素在正、負(fù)極中的嵌入與脫出，才可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，最終完成充放電過程。

然而，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸、鎳氫電池，但還是難以滿足快速增長(zhǎng)的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等的需求。

近些年來，研究人員努力提高鋰電池的能量密度(電量體積容量比)、價(jià)值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計(jì)全新類型的電池。但帕瑟里尼表示，現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)已接近瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。

創(chuàng)新思路催生新型電池

目前，科學(xué)家正致力于研發(fā)儲(chǔ)能更強(qiáng)、壽命更長(zhǎng)的新型電池，特別是在不同的領(lǐng)域開發(fā)出更為適合的電池，因?yàn)闆]有一種電池可以適用所有領(lǐng)域。

在汽車行業(yè)中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對(duì)于電動(dòng)汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個(gè)問題，工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前，大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。

例如一些創(chuàng)新的做法，將傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅，會(huì)擁有10倍多的鋰離子，但硅在吸收鋰離子時(shí)會(huì)膨脹，所以研究者們需要解決這個(gè)問題;將鋰金屬代替晶格充當(dāng)陽極，但是有可能它在充電時(shí)會(huì)發(fā)生短路。而這是自鋰電池問世二三十年以來，令電池制造商一直頭疼的老大難問題。

也許，鋰可以完全被替換?例如，鈉或鎂，再或其他的物質(zhì)材料。國(guó)外的一家能量存儲(chǔ)研究聯(lián)合中心正在使用計(jì)算機(jī)建模，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對(duì)應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)允許每個(gè)原子接受兩個(gè)電子，這使得鎂可加倍儲(chǔ)存電荷。

還一種思路，琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面。

在所有的環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國(guó)能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上的研究顯示，中國(guó)復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、新能源研究院教授夏永姚帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點(diǎn)低、可在極端低溫條件下導(dǎo)電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機(jī)化合物分別作為電極的陰極和陽極。

夏永姚說：“乙酸乙酯電解液和有機(jī)高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作。”新電池的材料充足、便宜且環(huán)保，他預(yù)計(jì)這種材料的價(jià)格只有傳統(tǒng)鋰電池電極材料的約三分之一。

要知道，在俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū)，溫度低于零下50攝氏度;在太空中，溫度低至零下157攝氏度。而傳統(tǒng)鋰電池在零下20攝氏度時(shí)性能只有其最優(yōu)水平的50%，零下40攝氏度時(shí)只有最優(yōu)水平的12%。

夏永姚對(duì)記者強(qiáng)調(diào)，新電池目前還是在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化面臨的主要挑戰(zhàn)是這種電池的單位質(zhì)量能量與已商業(yè)化的鋰電池尚有差距，生產(chǎn)過程還需優(yōu)化，但具顯著應(yīng)用潛力，因此，他的團(tuán)隊(duì)正在努力攻克難題。

對(duì)這項(xiàng)研究有網(wǎng)民建議，“特殊要求的專業(yè)電池，不要想著一定取代現(xiàn)有鋰電池，完全可以打差異化市場(chǎng)策略，在軍用、工業(yè)等特殊環(huán)境體現(xiàn)用途。”

使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色

既然鋰電池技術(shù)遇到瓶頸，人們就想到一些另辟蹊徑的辦法，間接有效解決用戶對(duì)續(xù)航的需求，而在研究中發(fā)現(xiàn)，使用石墨烯材料的電池表現(xiàn)出色。

華為曾在第57屆日本電池大會(huì)上，發(fā)布了以“華為能源”之名亮相的使用石墨烯材料的鋰電池，展示出電池快充技術(shù)，僅用5分鐘就將一塊3000毫安的電池充到了48%的電量，無疑其效果比高通的Quick Charge技術(shù)和OPPO的VOOC閃充技術(shù)更為振奮人心。而且，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，該電池具有壽命長(zhǎng)、耐高溫等多種優(yōu)異特性。

據(jù)介紹，采用石墨烯材料的電池主要優(yōu)勢(shì)在于其使用壽命和充電速度。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，石墨烯電池2000次充放電衰減率15%以內(nèi)，同比普通鋰電池約40-80%，充電速度5000毫安時(shí)的半小時(shí)可以充滿，如果電路設(shè)計(jì)合適，理論上可以5秒以內(nèi)充滿。而華為在電解液中加入高溫抗分解添加劑，配合高溫穩(wěn)定的大單晶正極，大幅提升電池?zé)岱€(wěn)定性。與此同時(shí)，通過利用石墨烯高效散熱的特點(diǎn)，同等工況下電池溫度降低5℃。

目前，隨著電子產(chǎn)品的便攜化發(fā)展，電池也朝小型、輕薄同時(shí)兼具高比能量的方向發(fā)展;而對(duì)于在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，高的體積比能量也意味著一定容積的電池可以裝填更多的活性物質(zhì)。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比之質(zhì)量比能量，體積比能量很多時(shí)候更加重要。

1月26日，《自然·通訊》在線發(fā)表了天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授團(tuán)隊(duì)的研究工作，在石墨烯的致密組裝中，巧妙應(yīng)用類似變形金剛的“硫模板”，實(shí)現(xiàn)了包裹活性物質(zhì)的碳籠尺寸和形狀的精確設(shè)計(jì)，從而大幅提高鋰離子電池體積能量密度，使其變得“更小”成為可能。

“需要指出的是有稱‘石墨烯電池’的說法，不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。比較客觀的說法，應(yīng)該是‘使用了石墨烯材料的電池’，石墨烯是一種‘至柔至薄’的碳材料，通過石墨烯的添加或者輔助，可能會(huì)達(dá)到傳統(tǒng)碳材料或者傳統(tǒng)技術(shù)難于達(dá)到的某些功能，而有些時(shí)候電池性能很小幅度的提高對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言都是非常重要的。”楊全紅對(duì)記者說。

而“使用了石墨烯材料的電池”其本身還是鋰電池或者其他介質(zhì)電池，石墨烯本身不能存儲(chǔ)電能，主要作用是把電池的兩極材料分開，電子可以非常輕易穿過，使得電池的內(nèi)阻非常小，也就是為啥其充電速度快的原因。

從目前科研成果來看，采用石墨烯材料的電池的表現(xiàn)比鋰電池要好很多，特別是在電池的動(dòng)力特性、電容量、壽命等方面。然而，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長(zhǎng)李義春對(duì)記者說，“目前有關(guān)石墨烯材料的電池的技術(shù)研究大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未達(dá)到實(shí)用化，離大批量生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走。”

超級(jí)電容技術(shù)值得期待

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，英國(guó)兩所大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)一種新型超級(jí)電容器材料，不僅能將充電時(shí)間縮短至10分鐘以內(nèi)，還可將能量密度提高到180Wh/kg，高于目前鋰電池普遍的100-120Wh/kg。今年1月，南京理工大學(xué)格萊特納米科技研究所夏暉教授課題組也發(fā)現(xiàn)了一種可讓超級(jí)電容器的電容量提高5-10倍的新材料。

相比傳統(tǒng)的化學(xué)電池，以大容量、高功率、長(zhǎng)壽命、成本低廉和環(huán)保等優(yōu)越性能著稱的超級(jí)電容器，具有非常大的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，推動(dòng)其應(yīng)用范圍從最初的電子設(shè)備領(lǐng)域擴(kuò)展到動(dòng)力、儲(chǔ)能領(lǐng)域。

據(jù)介紹，超級(jí)電容器之所以稱之為“超級(jí)”的原因，在于其是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。其在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。由此，龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得它較傳統(tǒng)電容器而言，有驚人大的靜電容量。

應(yīng)用在軌道車輛制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器可將回收制動(dòng)能量存儲(chǔ)，當(dāng)車輛再加速時(shí)，可將這些能量釋放出來，節(jié)省30%的能量。同時(shí)，每輛車用兩個(gè)系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)功率提升至300kw。國(guó)外混合動(dòng)力轎車使用超級(jí)電容技術(shù)已有先例。其能在短時(shí)間內(nèi)提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高、充放電次數(shù)高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度區(qū)域?qū)?其使用的基礎(chǔ)材料價(jià)格也很便宜，適合頻繁加速和減速的城市交通狀況。

有的科學(xué)家稱，電池技術(shù)可說是一種“混沌的藝術(shù)”。它之所以發(fā)展得那么慢，很大程度上是因?yàn)閹缀趺恳稽c(diǎn)微小的進(jìn)步或改變，都需要經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，以保證安全和穩(wěn)定。即使是發(fā)現(xiàn)了對(duì)于提升能量密度很有幫助的材料，都不能保證它真的能用。

所以，電池技術(shù)的突破正在路上，請(qǐng)耐心等待。