我們總是會(huì)很頻繁的在媒體上看到電池技術(shù)領(lǐng)域里的最新研究成果。雖然這些新技術(shù)可能暫時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但在研究人員的不懈努力之下，技術(shù)突破和商業(yè)應(yīng)用之間的距離正在逐漸縮小。本文將要介紹的就是三種極具發(fā)展前景的電池技術(shù)，它們不僅很快會(huì)出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中，并有可能真正改變這個(gè)世界。

固態(tài)電池

目前被大規(guī)模應(yīng)用鋰離子電池存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是可能會(huì)毫無征兆地自燃。為了解決這個(gè)問題，研究者開發(fā)出了一種新型的固態(tài)電池。

固態(tài)電池?fù)碛卸喾N類型，但它們的共同之處是放棄了鋰離子電池當(dāng)中可燃性很高的液態(tài)電解質(zhì)，轉(zhuǎn)而使用了其他材料——通常是金屬混合物——來在電極之間傳導(dǎo)電子和產(chǎn)生電能。

由于內(nèi)部不含液體，固態(tài)電池也就沒有必要被加入絕緣層和其他安全措施，因此這種電池的體積和重量相比鋰電池有所降低，同時(shí)適應(yīng)能力更強(qiáng)。對(duì)于電動(dòng)汽車廠商來說，這些都是頗具吸引力的優(yōu)勢(shì)。目前，美國能源部能源高級(jí)研究計(jì)劃局(ARPA-E)就正在測(cè)試兩個(gè)不同的固態(tài)電池項(xiàng)目，其一是鋰離子固態(tài)電池，另一個(gè)則完全不使用鋰。

Sakti3是固態(tài)電池領(lǐng)域里的領(lǐng)軍者，這家公司的技術(shù)已經(jīng)十分接近量產(chǎn)的程度。雖然這聽上去令人期待，但由于保密工作十分到位，我們對(duì)于Sakti3的固態(tài)電池技術(shù)還知之甚少，但它們已經(jīng)吸引到了來自知名企業(yè)的投資，比如通用汽車。QuantumScape也是一家固態(tài)電池技術(shù)公司，這家企業(yè)雖然更加默默無聞，但他們的技術(shù)據(jù)傳和Sakti3較為類似。

不過對(duì)于固態(tài)電池來說，距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日。這種電池技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一并不是化學(xué)材料本身，而是在工廠當(dāng)中以相比傳統(tǒng)電池更低廉的價(jià)格實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

鋁空氣電池

除了易燃之外，鋰這種最常見的電池材料還有其他弊端，比如開采成本昂貴，釋放電子的效率低——這也是鋰電池充放電速度較慢的原因。

那么有沒有一種電池完全不含鋰，還能在幾秒之內(nèi)完成對(duì)手機(jī)的充電呢？以色列公司Phinergy就有一種解決方案：鋁空氣電池。這種電池兩個(gè)電極的材料分別是鋁板和氧氣——具體來講，是氧氣和水電解質(zhì)。當(dāng)氧氣和鋁板發(fā)生反應(yīng)，電能便會(huì)產(chǎn)生。

鋁空氣電池已經(jīng)存在了很長一段時(shí)間，但外界對(duì)它的興趣在最近幾年才開始增加。從理論上講，這種電池的容量可達(dá)到鋰電池的40倍，而Phinergy更是聲稱它可將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程延長至1000英里。

但是，鋁空氣電池內(nèi)部產(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)也存在一個(gè)很大的弊端。在和氧氣發(fā)生反應(yīng)的過程當(dāng)中，鋁板會(huì)持續(xù)被分解，并最終會(huì)無法再充入電源，只能進(jìn)行替換。在大規(guī)模應(yīng)用上面，這會(huì)是個(gè)很大的問題。

對(duì)于鋁空氣電池的研究目前并未停止，有幾家公司聲稱他們將會(huì)在未來幾年里將其帶入市場，其中就包括Phinergy。與此同時(shí)，日本的冨士色素公司最近聲稱他們?cè)谠摷夹g(shù)的研究上已經(jīng)取得了重大突破。這家公司表示，他們發(fā)現(xiàn)了一種使用絕緣材料保護(hù)鋁板的方式，使其可以持續(xù)被充電。

即便鋁空氣電池最終失敗，許多研究者都認(rèn)為鋁會(huì)成為未來的電池材料。最近，斯坦福的一支研究團(tuán)隊(duì)就對(duì)外介紹了一種將鋁和石墨烯作為電極材料的電池。這種電池（用在智能手機(jī)當(dāng)中）不僅可在1分鐘的時(shí)間內(nèi)完成充電，且由于使用了一種安全系數(shù)很高的液態(tài)電解質(zhì)，它即便被鉆出一個(gè)洞也不會(huì)爆炸，并可繼續(xù)工作。

微電池

體積是傳統(tǒng)電池的另一個(gè)大問題。雖然電子設(shè)備的其他零部件都正在越變?cè)叫?，但電池依然還十分笨重。除了手機(jī)和筆記本這種設(shè)備之外，體積問題同樣困擾著醫(yī)療植入物，因?yàn)樵谛枰娫垂?yīng)的同時(shí)，它們的體積必須足夠小，才能被植入人體。

目前，3D微電池是一個(gè)非常熱門的研究方向。這種所謂的3D和2D有什么區(qū)別呢？你可以把2D電池看作是一塊蛋糕：它們有兩個(gè)電極，中間由電解質(zhì)分隔。這種電池可以做到超級(jí)纖薄，但電源輸出也會(huì)因此變得非常低。

對(duì)比之下，3D電池更像是蛋糕卷。想要增加電極的表面區(qū)域，你可以在微觀層將它們環(huán)環(huán)相扣。增大了表面積之后，電子也就可以更加輕松地從一個(gè)電極移動(dòng)至另一個(gè)——這樣做可以增加電池的功率密度，或是提高充放電的速率。

科學(xué)家們目前正在探索生產(chǎn)這種微型電池的不同方式。在2013年，哈佛大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)就使用3D打印機(jī)和鋰“墨水”達(dá)到了將納米大小陰極和陽極環(huán)環(huán)相扣所需的超高精度。

而在最近，伊利諾伊大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)又展示了他們是如何使用一種名為全息光刻的技術(shù)來制作3D電池的。這種技術(shù)會(huì)利用超高精度的光束從光刻膠當(dāng)中制作出電極的3D結(jié)構(gòu)。相比3D打印，全息光刻技術(shù)的成熟度更高，因此可能更加適合量產(chǎn)。

但和所有電池一樣，3D電池技術(shù)在功率密度、產(chǎn)生電能的速率、電能密度和總體容量之間會(huì)產(chǎn)生權(quán)衡。想要在這些方面都達(dá)到很高的水平并不是件易事，而這正是伊利諾伊大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)所要做的。如果成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那這種電池技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響力。

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