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褂玫碾姵匾部赡埽ㄓ袝r(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%。