終極電池在哪裡?鋰空氣和燃料電池值得期待

2020-11-30 雷鋒網

自從20世紀中期計算機晶片發明以來，技術就一直在飛速進步，我們可以用一個故事來講述：摩爾定律。每2年晶片中的電晶體數量就會翻倍，其它技術也在進步，最終使得處理器的性能每隔18個月翻一倍。從摩爾定律被定義的那天起，到現在已經40多年了，它一直沒有被打破。一代人在電子領域創造了驚人的進步，摩爾定律很好地詮釋了這些進步；在摩爾定律的推動下，智慧型手機已經進入到億萬人的口袋，它比幾十年前最好的電腦還要強大幾千倍。

再看看設備中使用的電池，它的發展完全和摩爾定律不匹配。1991年索尼率先將鋰電池商用，到今天這門技術並沒有明顯的改變。汽車使用的技術更為古老，內燃發動機的基本設計、車用鉛酸電池幾十年都很少改變。

縱觀設計的歷史，大多時候企業們根本沒有改變的欲望，行業一直運行得很好，我們很少去考慮電池。回看2000年時，手機充一次電可以用好幾天。然而在過去的10年裡，我們已經進入了智慧型手機時代，電池的不足開始變得嚴重起來。與9年前賈伯斯發布的iPhone相比，蘋果最新的手機強大16倍，但它的續航時間仍然不到一天。

新老手機之所以性能差距如此之大，主要歸功於工程進步，它是通過提高處理器效能實現的，而不是因為電池更好。至於毫安時（在一定的放電時間下完全放電產生的電流），iPhone 6s只比2007年第一代iPhone提高了22%。

鋰電池挑戰

設計鋰電池很簡單。當電池充電時，電子流通過電路傳送到負極，吸引電解質溶液中的鋰離子（一種可帶電粒子）。當我們使用電池時，離子會通過溶液轉移到負電極，它會釋放電流給設備充電。

這是相當基本的化學過程，結果就是很難改進。只有幾種元素可以使用，而事實證明鋰是最適合的。要改進電池，辦法就是改變電極和電解質的化學成份，但改進是逐步進行的，而且隨著時間的推移改進會越來越難。儘管富有的科技公司不斷向電池投入資本，每年電池的性能仍然只能提升5%。事實上，許多電池製造商發現要提升電池效能，最好的辦法就是增加體積，讓它有更大的空間容納更多的離子。

對於許多人來說，這樣的辦法顯然不夠好。智慧型手機最開始只是日常生活的重要部分，現在成了我們的基本需求。我們用它來支付錢款，用它來通信，用它來導航。如果手機不能用，我們會很心煩。這還不算什麼，當電動汽車、搶救生命的健康設備沒有電時後果更嚴重。照預測，太陽能將是未來的主要能源，如果沒有太陽，就需要電池擁有很大的存儲容量才行。

替代產品

人們對電池越來越依賴，受到需求的推動，企業投入大量的時間和金錢開發鋰電池替代產品。

去年，劍橋大學科學家宣布獲得巨大突破，它們開發了「鋰空氣」(lithium-air)電池，科學家宣稱新電池的性能是現有鋰電池的10倍。新技術直接使用空氣中氧氣的部分電子，而不是使用存儲在電池一端的電子，他們宣稱電池的性能可以大幅提高，充電一次可以讓一輛電動汽車從倫敦開到愛丁堡。

劍橋科學家將這種「鋰空氣」電池稱為「終極電池」，其實這種設計幾十年前就出現了，但傳統的過氧化鋰設計被證明是不穩定的，而且不支持多次充電。採用新的化學成份替代氫氧化鋰能減少耗電化學反應的次數，使得電池可以反覆充電2000次以上。

美國伊利諾斯州阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究者上周宣布取得突破，他們推出了超氧化鋰物電池，新技術解決了其它鋰空氣電池的許多主要難題。新設計還要幾年才能投入商用，可能至少需要10年時間。

還有一個方案也許同樣行得通：不去開發更好的電池，而是尋找更好的方法提供能量。英國Intelligent Energy公司宣稱在不久的將來可以在消費電子產品上使用氫燃料電池。

Intelligent Energy公司CEO Henri Winand說，採用新技術開發的原型電池能夠讓智慧型手機連續用上一星期，可以讓無人機飛幾小時而不是30分鐘。它不需要充電，燃料電池可以在內部互換。公司還與Suzuki合作開發搭載燃料電池的滑板車，它還與一家新興智慧型手機商開發使用燃料電池的產品。魏南德說：「以後我們不用再按照電量來安排生活。」他說採用燃料電池的手機還有18個月就會出現。

對於依賴電池的消費者和企業來說，這樣的速度還是不夠快，燃料電池可能需要好多年才能形成主流。同時，一些技術企業仍然在投資鋰電池技術，它們認為短期之內這是最好的選擇。

放眼全球，有許多企業大規模使用電池，特斯拉是其中的一個，它投資近50億美元在美國內華達建造鋰電池工廠。還有一些消費電子企業拒絕依賴突破性技術，它們轉而重視無線充電技術或者快速充電技術，只需要半小時或者一小時就可以將電池從0充到60%。

即使是最有希望的新電池暫時也還不可能取代鋰電池，新電池還需要多年的測試，需要法律的許可，然後才能進入到汽車和手機中。不論誰贏得競爭，它的電池都將是本世界最大的突破之一。

via telegraph

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