但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)[公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產(chǎn)品的基本化學(xué)功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhone X的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。

因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學(xué)反應(yīng)。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認(rèn)為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學(xué)容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學(xué)院材料學(xué)教授格萊布·尤辛(Gleb Yushin)共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。

在調(diào)查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術(shù)發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風(fēng)投機構(gòu)支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。

當(dāng)鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復(fù)的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質(zhì)界面層，后者是一種保護物質(zhì)，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產(chǎn)生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”

隨著時間的推移，這是智能手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當(dāng)于一部智能手機持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多(高達400%)。大多數(shù)硅陽極經(jīng)過幾次充電循環(huán)后會發(fā)生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復(fù)合材料來解決膨脹問題。

伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個“公寓區(qū)”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地擠在一起。經(jīng)過3萬次迭代(不同的柱子和房間組合)，他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內(nèi)部。”這就解決了膨脹問題，同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩(wěn)定。

伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉(zhuǎn)換成現(xiàn)有的設(shè)計。隨著亞洲的電池生產(chǎn)商爭相增加工廠產(chǎn)能，為電動汽車時代到來做準(zhǔn)備，伯迪切夫斯基認(rèn)為，任何與當(dāng)前生產(chǎn)工藝不兼容的產(chǎn)品都可能被排除在外。他說：“如果現(xiàn)在還不存在可以替代鋰離子的技術(shù)，到上市的時候，它將迎來無數(shù)的用戶群。”

圖：這名男人在玻利維亞烏尤尼的鹽灘工作，這個面積4000平方英里的偏遠地區(qū)擁有世界上最大的鋰儲量

當(dāng)電池充滿電并放電時，鋰離子在兩個電極之間舞動，有時它們很難返回。相反，尤其是當(dāng)電池充電太快時，它們會在電極的外面聚集，逐漸形成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。最終，這些看起來像窗玻璃上結(jié)了霜的樹突，可以通過電解質(zhì)一路延伸，穿透隔膜，并通過觸碰對面的電極產(chǎn)生短路。

隨著各層之間的距離越來越近，這種風(fēng)險就會增加，出錯的可能性也會隨之增加。正如三星去年發(fā)現(xiàn)的那樣，出錯可能會造成損害，代價相當(dāng)高昂。微小的制造缺陷曾導(dǎo)致Galaxy Note 7手機電池內(nèi)部短路。在某些設(shè)備上，陽極和陰極最終彼此接觸，這起災(zāi)難性的召回事件估計導(dǎo)致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道：“當(dāng)這種情況發(fā)生時，電池會變得非常熱，液體電解質(zhì)會發(fā)生熱逃逸，最終引發(fā)火災(zāi)和爆炸。”

因為這種情況非常危險，實際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀(jì)70年代嘗試的那樣，可能會帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的“圣杯”，齊默爾曼可能發(fā)現(xiàn)了它。

他認(rèn)為電解質(zhì)實際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經(jīng)逐漸不再使用浸在液體電解質(zhì)中的物質(zhì)，而是使用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，而且對阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認(rèn)，他不是一個“電池控”。他主修的專業(yè)是材料科學(xué)，尤其是聚合物，他在貝爾實驗室和塔夫茨大學(xué)任教了14年，之后才開始創(chuàng)業(yè)。

21世紀(jì)初，齊默爾曼開始對可充電電池產(chǎn)生興趣。當(dāng)時，有些人在努力從液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)向固態(tài)電解質(zhì)。資深儲能科學(xué)家唐納德·海格特(Donald Highgate)解釋說：“原則上，因為固態(tài)電解質(zhì)電池更安全，你可以讓它更努力工作。同樣的應(yīng)用程序，你可以使用更小的電池。”但它們大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很難大規(guī)模生產(chǎn)。”

塑料已經(jīng)在電池中被用于隔離器，即位于電解質(zhì)中間以阻止電極接觸的部分。齊默爾曼認(rèn)為，如果他能找到合適的材料，他就可以拋棄液體電解質(zhì)和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是可以防火的，而且還可以防止在兩層之間生長樹突。通過Ionic Materials，齊默爾曼用一種全新的傳導(dǎo)機制創(chuàng)造了一種聚合物，它模仿了電子穿過金屬的方式。這是第一個能在室溫下導(dǎo)電鋰離子的固態(tài)聚合物。材料是靈活的，低成本的，經(jīng)得起各種各樣的考驗。

在一次實驗中，他們把原材料送到了彈道學(xué)實驗室，那里通常被用來測試防彈背心，并用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池(扁平的銀袋子)連接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山一樣炸開了。在慢鏡頭里，可以看到塑料和金屬從火山口噴出，就像熔巖。但電池內(nèi)部沒有爆發(fā)，沒有爆炸或起火。每次碰撞，設(shè)備都保持開啟狀態(tài)。齊默爾曼說:“我們一直認(rèn)為聚合物會使它更安全，我們從來沒有指望電池還能繼續(xù)工作。”

據(jù)齊默爾曼說，這種聚合物將推動鋰金屬的發(fā)展，并加速采用新的電池化學(xué)物質(zhì)，如鋰-硫或鋰-空氣。但長遠的未來可能不只是鋰。曼徹斯特大學(xué)的研究員劉旭清表示:“這種改進不能與設(shè)備性能的改進速度相匹配，我們需要一場革命。”

在牛津郡龐大的哈韋爾科學(xué)與創(chuàng)新園區(qū)，也就是約翰·古德諾夫(John Goodenough)簽署協(xié)議宣布放棄他在鋰離子領(lǐng)域取得重大突破專利的地方，史蒂芬·沃勒(Stephen Voller)舉著一塊與飲料杯大小和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個瀏覽器品牌網(wǎng)景(Netscape)公司之前，他曾在IBM擔(dān)任軟件工程師。在公司被AOL收購后，沃勒對筆記本電腦電池續(xù)航時間的限制越來越感到失望，于是決定采取些措施。

沃勒的第一個想法是使用氫燃料電池來延長電池巡航時間，但它的波動性證明是便攜式電子產(chǎn)品無法克服的挑戰(zhàn)。他說:“讓氫氣通過機場安檢是相當(dāng)困難的。”然后，通過牛津大學(xué)的熟人，沃勒聽說了一些令人興奮的研究，包括性能更像超級電容器的極快充電材料。當(dāng)電池以化學(xué)方式儲存能量時，超級電容器卻可將其置于電場中，就像氣球上的靜電收集一樣。

超級電容器的問題在于，它們不能像電池一樣儲存那么多的能量，而且電量會很快泄露出去。如果你不經(jīng)常使用，鋰離子電池的放電可持續(xù)2周，而超級電容器只能保持?jǐn)?shù)小時。許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，將超級電容器與電池結(jié)合起來，可能對智能手機和其他耗電的消費科技產(chǎn)品有利。海格特表示，超級電容器可以被用來制造一、兩分鐘內(nèi)就能充滿電的混合手機，而且還可以作為備用的鋰離子電池。他說:“如果你可以非常快速的充電，你可以把它放在感應(yīng)圈上，在你攪拌咖啡的時候充電。”

沃勒認(rèn)為，他可以做得更好。2013年，他創(chuàng)立了ZapGo，該公司正在開發(fā)碳基電池，其充電速度與超級電容器一樣快，但充電時間與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的員工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓實驗室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個消費電池將被用在今年年底推出的第三方產(chǎn)品上，包括用于汽車的助推起動裝置，以及充電時間從8小時縮短至5分鐘的電動滑板車。

沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，使用了固態(tài)電解質(zhì)，不會著火。兩個電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結(jié)構(gòu)的碳，用來增加表面積。沃勒說：“你希望它看起來像喜馬拉雅山。”盡管在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技術(shù)的關(guān)鍵在于提高效率和減少漏電量，主要是通過確保電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣一樣。

碳基電池的最大優(yōu)勢是長壽。因為ZapGo的電池存儲更像氣球，而不是傳統(tǒng)的電池。正如沃勒所說“沒有化學(xué)反應(yīng)”，他聲稱新電池可以持續(xù)10萬個放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即使每天給手機充電，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo電池還沒有強大到可以運行智能手機的地步，但由于使用的材料沒有提供增加電壓的障礙，沃勒預(yù)計這種電池將在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入應(yīng)用。

這需要改變充電基礎(chǔ)設(shè)施。許多爆炸事件被歸咎于廉價的第三方充電器，而這些充電器沒有阻止爆炸所需的電子設(shè)備。對于ZapGo的電池，或者任何基于超級電容的系統(tǒng)，你需要一個充電器來做相反的事情——從電網(wǎng)中吸取和儲存能量，然后在短時間內(nèi)把它送到你的手機上。在實驗室里，沃勒的團隊已經(jīng)制造出了筆記本電腦大小的電源，但他們正在努力使它變得更小、更高效。

包括戴森設(shè)計工程學(xué)院的薩姆·庫珀(Sam Cooper)在內(nèi)的許多人質(zhì)疑，這些公司是否真的希望在產(chǎn)品中植入能持續(xù)使用如此之久的附件。庫珀說：“手機公司有個明確的利潤激勵，就是要在下次發(fā)布時讓老款設(shè)備及時停產(chǎn)。為此，研發(fā)更好電池的競賽可能根本不存在。”沃勒承認(rèn)，ZapGo持有的大約30項專利中，有一種方法可人為地降低電池的使用壽命，阻止它們持續(xù)使用30年。他說：“我們不會這么做，但如果客戶愿意，我們有能力提供給他們。”

與現(xiàn)有技術(shù)相比，碳基儲能技術(shù)還有另一個主要優(yōu)勢。它實際上可以作為手機外部結(jié)構(gòu)使用。沃勒并沒有設(shè)計出適合當(dāng)前手機設(shè)計的電池，而是在為柔性屏幕和可折疊設(shè)備的未來做準(zhǔn)備。在5G網(wǎng)絡(luò)下，我們所有的數(shù)據(jù)都來自云端，電池續(xù)航時間變得更加重要。

沃勒沿著他辦公室狹窄的走廊走著，走到午后的陽光下，穿過Diamond Light Source的陰影，這是個巨大的環(huán)形建筑，看起來像是外星飛船降落在牛津郡的鄉(xiāng)村。在內(nèi)部，研究人員正在利用加速光束在微觀尺度上對潛在的電池材料進行研究，探究為何鋰-硫電池會失敗，以及尋找替代材料以獲得陽極和陰極，這些問題已經(jīng)困擾了這個領(lǐng)域近30年。

沃勒在空中揮舞著他的智能手機，哀嘆著鋰離子電池的缺陷，正是這些缺陷促使他和其他數(shù)百人加入了這場高風(fēng)險的競賽，以期重新發(fā)明這些絕好卻又存在缺陷的電池。他說:“我們都必須制定策略來應(yīng)對這種情況，不管是背夾式電池，還是帶著兩部手機，這都太瘋狂了，事情不應(yīng)該是那樣的。”