未來電池技術的發展方向會是什麼？

電池已經存在了幾百年了，在未來的一段時間裡，它們將和我們在一起。電池的多種多樣的應用意味著，多年來，電化學電池的各種不同的額排列方式、不同的金屬和其他材料被用作電極，不同的物質被用作電解質，並且有不同的方法將其組合在一起。未來電池技術的發展方向會是什麼？

新電池化學

一、主題變奏曲：鋰離子新技術

1）矽陽極

當矽用作陽極材料時，它的儲能能力有了很大的提高。與傳統石墨電極相比，矽的理論容量增加了10倍。然而，儘管其晶格結構可以包含驅動鋰離子電池所需的鋰離子，但這會導致體積顯著增加300%以上。當電池放電時，鋰離子從矽陽極釋放出來，矽就會收縮。隨著時間的推移，這種反覆的膨脹和收縮會導致矽陽極斷裂和開裂，電池的壽命非常短。

解決這一主要問題有望生產出比石墨陽極標準鋰離子電池具有更高能量密度的電池。目前正在研究的一種方法是在矽表面塗覆石墨烯（單原子厚的碳層），因為石墨烯層可以相互「滑動」，並補償矽的膨脹和收縮。這幾乎是電池能量密度的兩倍。

2）石墨烯陽極

石墨烯也可以代替石墨作為鋰離子電池的陽極。石墨烯是由碳原子結合在一起，形成一個單原子厚的薄片。雖然石墨由多個石墨烯片疊放在一起形成，但單個石墨烯片使鋰離子的插層更容易、更有效。

嘗試將鋰離子快速插入石墨中，這是高功率或快速充電應用所必需的，也會導致陽極破裂。石墨烯片可用於高功率應用，因為鋰離子不需要通過石墨晶體隧道到達其插入位置，因為這些位置已經對含鋰離子的電解液開放。在世界範圍內，有許多科學家試圖將其開發成一種新的電池電極材料。

3）鋰空氣

如果電池能從稀薄的空氣中抽出能量呢？鋰空氣電池就可以做到這一點，它利用周圍大氣中的氧氣作為陰極材料。這顯然會使電池非常輕，使其能量密度比標準鋰離子電池高出10倍，這種能量密度可以與汽油競爭。

然而，鋰空氣化學帶來了一些挑戰。一種是，純金屬形式的鋰具有極高的反應性，很難使鋰製成的陽極保持穩定。尋找能夠保持陽極穩定的電解質材料，同時防止其與空氣中的氧氣發生反應，是一項挑戰。

為了解決這一問題，人們對電解質進行了大量的研究，包括使用聚合物、離子液體和高鹽濃度的溶劑混合物。防止與空氣反應也可以通過在電極上塗上玻璃或陶瓷等固體電解質來實現。

另一個問題是氧的還原導致過氧化鋰（Li2O2）的形成。過氧化鋰會覆蓋在電極表面，抑制鋰離子和電子釋放的反應，從而降低電池的功率。由於電池暴露在空氣中，從空氣中吸取氧氣用於陰極反應，它也暴露在水蒸氣和二氧化碳中，這會導致其他非導電和非活性材料（如Li2CO3）的形成，進而影響電池的化學性質。

在最近的發展中，劍橋大學的研究人員使用一種多孔石墨烯作為陰極，在電解質混合物中加入碘化鋰（LiI）和水（H2O）。這阻止了過氧化鋰的形成，而是從水中提取一些氫來製備氫氧化鋰.（LiOH）。碘化物起到了促進這種反應的「介質」的作用。氫氧化鋰晶體很好地嵌入石墨烯陰極的孔隙中，但它們並沒有覆蓋石墨烯的整個表面，使得驅動電池發電反應所需的碳暴露在外，並可用於保持反應。

當電池再充電時，碘化物再次進入。它被氧化成三碘離子。三碘化物與氫氧化鋰晶體反應，生成鋰離子（Li+）、氧（O2）和水（H2O）。這將徹底清除陰極中的氫氧化鋰晶體，使其可用於電池放電過程中發生的氧還原反應。同時，鋰離子穿過電解液，作為鋰金屬重新沉積在陽極上，準備在電池放電時再次釋放電子。

鋰空氣技術離實際商業化還有很長的路要走。據估計，這將需要大約10-20年才能實現。上述的發展工作在一個使用純氧的系統中，因此研究人員還需要找到一種方法來處理空氣中所含的其他物質。空氣中的二氧化碳和氮氣等氣體與陽極中的鋰金屬發生反應，形成碳酸鋰和硝酸鋰，它們覆蓋在電極表面，阻止電極有效工作。

二、鋁空氣

由於鋁是地殼中非常常見的元素，用鋁陽極和氧陰極製成的電池有望非常便宜。它也更輕，具有高能量密度。鋁空氣電池可以為電動汽車提供比標準鋰離子電池高8倍的動力。

問題是驅動電池的化學物質會導致鋁陽極的腐蝕。鋁陽極與電解液反應時，發生不可逆反應，生成水合氧化鋁（Al（OH）3）。這意味著電池不能再充電，因此必須定期更換陽極或整個廢電池。降解後的陽極可以循環利用，製成新的鋁陽極。

電池使用水基電解液，有時是鹽溶液，或者使用氫氧化鉀（KOH）可以獲得更高的電壓。

鋁-空氣電池：化學性能

鋁空氣電池的化學性能有可能通過為鋁陽極開發更多的多孔、三維結構而得到改善，這將增加鋁的表面積，從而可以進行反應。另一種可能性是鋁合金的發展，在鋁合金中加入少量其他元素，將有助於防止形成腐蝕陽極的氫氧化鋁。

由於鋁-空氣電池充電困難，在不久的將來，它們不太可能成為真正的商業前景，然而從長遠來看，正在進行的研究可能會使我們達到目的。然而，世界上有幾個科研組織正在尋找替代品，如鎂-空氣電池和鋅-空氣電池。鋅-空氣電池目前為我們的助聽器和人工耳蝸供電，然而，可逆性是個問題。

三、鈉離子

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，但使用鈉離子而不是鋰。鈉的優點是容易獲得（只要想想海水）和便宜。

雖然鈉離子不太可能在短期內與鋰離子電池競爭，為可攜式設備或汽車提供動力，但像阿奎昂能源（Aquion Energy）公司、Faradion公司和夏普實驗室已經在生產它們，用於風力和太陽能發電場的儲能。現在也在為民用住宅儲能製造更小的模塊。

鈉離子電池的電極有幾種不同的材料。碳通常用作陽極，但不像鋰離子電池那樣排列整齊。當被整合到一個均勻的結構中時，鈉離子會被卡住，不能再釋放出來，這使得電池的反應不可逆（不能對電池充電）。要防止這種情況發生，需要合適的孔徑和分布，以及高表面積的「硬碳」，通常由高溫下燃燒糖製成，用作陽極。溫度是獲得正確性能的關鍵。

一種可能的選擇是由石墨烯層和磷烯層構成的陽極。石墨烯為電極提供彈性和導電性，磷烯改變電極結構，使鈉在充電和放電過程中容易進出。

許多不同的材料已經被嘗試用作鈉離子電池的陰極，但是正在進行研究以尋找最佳的候選材料。最近，研究人員發現鈉、鐵和硫酸鹽的混合物為鈉離子提供了一個極好的宿主。這種材料由鈉和鐵層組成，中間點綴著硫酸鹽結構，為鈉離子的存放提供了良好的空間。

進入科幻領域？

1）壓電

壓電材料在受到機械應力時會產生電荷。基本上，如果你擠壓或按壓它，機械能就會轉化為電能。

研究人員開發了一種由硬幣大小的鋰離子電池製成的小型裝置，它的隔膜被取出，用壓電薄膜代替。它可以嵌入鞋底，就像你的跑鞋。當你跑步時，每次你的腳碰到地上，少量的力壓在裝置上，壓縮中間的壓電薄膜。它產生一種電荷，使鋰離子從陰極向陽極移動，就像正常鋰離子電池插入外部電源充電時發生的充電過程一樣。被推到陽極上的鋰離子與氧化鈦陽極材料發生反應，形成氧化鈦鋰（LiTiO2），只有在需要電力驅動裝置時才會再次釋放。

在目前階段，它不能提供足夠的電力來運行你的手機，但給GPS跟蹤設備提供的電力是足夠的。這項技術的關鍵是開發壓電充電裝置，使其能夠連接到其他類型的電池。

從本質上講，這個過程包括機械能轉化為化學能來給電池充電，然後當電池連接到外部電路時，化學能轉化為電能。

2）聲能

氧化鋅是一種光電材料。當微小的納米棒暴露在聲波中時，它們會彎曲，產生電流的物理應力。納米棒被放置在金屬片之間，金屬片充當電觸點，吸收彎曲納米棒產生的電流。這些電觸點可以用普通的舊鋁箔製成。

目前，第一次嘗試用聲能電池製造了一個設備，可以產生5伏電壓，電池的聲波來源來自日常噪音，如交通，談話或音樂。

3）摩擦驅動

未來的另一個選擇可能是利用人們日常工作中產生的能量。研究人員正在研究一種納米發電機裝置，它可以利用兩種物質摩擦產生的靜電。

該裝置將包含一塊金屬片，放在對苯二甲酸酯塑料片旁邊，兩者的表面都有納米級結構。當它們接觸時，會產生電荷，然後當薄板彎曲時電流流動。薄片表面的納米結構增加了接觸面積。

這將被製成一個小補丁，可能作為臂章佩戴。它會吸收我們在家裡走來走去，拿起一本書或是打字時產生的能量。

4）尿動力

尿電池聽起來很可笑！顯然不是。

這項技術基於微生物燃料電池，利用細胞呼吸過程的化學作用產生電能。畢竟，細胞呼吸的化學基礎是另一組氧化還原反應，就像驅動電化學細胞所需的那樣。

這些特殊的微生物燃料電池含有能吞噬尿液並將其分解的活微生物。這個過程的一部分涉及到電子的產生，當然，電子是產生電流所需要的。這個想法是把尿液輸入吞噬小便的微生物的細胞中，並利用細胞呼吸產生的電子為電子設備供電。

布里斯托機器人實驗室的研究人員將幾種微生物燃料電池串聯在一起，研製出一種能夠為手機供電的裝置，並希望將其規模擴大到能夠每天提供12千瓦時左右的電力。

這些電池對我們有什麼用？

科技的發展，特別是電子技術的發展，改變了我們的生活方式。我們子孫後代將面臨什麼樣的變化？

1）可再生能源

充分儲存太陽能和風能等可再生能源所產生的能源，被視為未來不依賴化石燃料所需的「缺失環節」。

氧化還原液流電池已經在礦區和偏遠農村地區用於儲存太陽能發電。它們的笨重被廉價可靠的事實所抵消。澳大利亞的試驗表明，這些電池可以用於住宅應用，例如在智能城市電網計劃中，有30000戶家庭連接到可再生能源和流動電池。

隨著大型鋰離子電池變得越來越便宜，預測將有越來越多的家庭配備家用電池，大約6-10千瓦時的容量。這些電池可以在成本較低的非尖峰時段從電網中獲取電能，並在尖峰時段儲存起來使用，從而減少業主的電費。

另一種選擇是，對於安裝了太陽能電池板的房屋，電池將儲存白天產生的任何電力，但不會立即使用，供夜間使用。再加上智能管理軟體，使用電池的家庭也可以在用電尖峰時段將儲存的電能送入電網，並獲得支付。

家用電池有望成為遊戲的改革者，不僅用於家庭使用和生產電力的方式，還用於未來國家電網的運行方式。不過，我們還沒到那一步。儘管特斯拉Powerwall電池以大量的廣告宣傳走進我們視野，問題是，它們的價格太高，無法被廣泛接受。

特斯拉相關工廠的承諾，它將降低成本，這無疑會提高競爭力。再加上預計的電網電價上漲，我們幾乎可以肯定的是，我們的家庭將更廣泛地採用電池技術。

另一個競爭者可能是英國的奧克斯能源（Oxis Energy）公司。他們目前正在測試鋰硫電池，這種電池可以儲存來自國內規模的太陽能電池板系統的能量，並希望很快就能上市銷售。鋰硫電池比鋰離子電池便宜，因為硫含量豐富。

2）可穿戴電池

小巧、輕便、靈活，能從隨身攜帶的機械能中汲取能量？這就是可穿戴電池設備的承諾。

其中一個由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）創建，使用步行來發電。放在背包或衣服裡的發電機，把它在行走或跑步時所經歷的機械能轉換成電能。這種電隨後被用來給一個基於織物的柔性電池充電，在所有不同組件之間，使用導電織物建立連接，使設計「靈活」的新型可穿戴技術成為可能。

雖然澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）技術已經在背包配置中得到了驗證，且所用的面料可以簡單地用剪刀將其剪裁為任意形狀，然後按照任何設計進行裁剪和定型，因此，這種可穿戴電池可以做成各種服裝或配飾。

結論

誰會想到，電池技術通過200多年發展，電池已與我們息息相關，電池為我們的電腦、智慧型手機、汽車以及我們的住宅提供動力。在過去的幾百年裡，電池已經走過了漫長的道路，隨著世界上許多科學家對新技術的研究，在未來漫長的道路，電池還會一直伴隨我們。