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前言

你以為人類最底層的需求是WiFi？Tooyoung！人類最底層的需求是電池電量啊！

目前，手機(jī)和電動車等產(chǎn)品中使用的電池都是鋰離子電池。雖然這項(xiàng)技術(shù)在未來幾年仍將如火如荼地發(fā)展，但科學(xué)界早有了一個(gè)共識：如果沒有大突破，鋰離子電池?zé)o法滿足未來的儲能要求。

如果，你想要買個(gè)一口氣跑幾百公里的電動車，或者用個(gè)三五天不充電的iPhone，那么關(guān)于電池的未來，你還需要知道點(diǎn)別的。

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鋰離子電池的窘境

商用的鋰離子電池由三部分組成，分別是鈷酸鋰正極，碳負(fù)極和電解液。充電時(shí)，鋰離子從正極中出來，經(jīng)過電解液，到達(dá)負(fù)極，同時(shí)電子經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，放電時(shí)則相反。于是，隨著電池一次又一次地充放電，鋰離子不斷地在兩極間往返。這個(gè)體系自從被開發(fā)之后，已經(jīng)幾十年沒有重大的改變了。

鋰離子，如同希臘神話中的西西福斯，又好像數(shù)學(xué)題中往返A(chǔ)B兩地的狗，就這樣日復(fù)一日地奔波。

現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)面臨著三個(gè)問題，分別是能量密度低，安全存在隱患，以及成本太高。

能量密度低

首先，能量密度是評價(jià)電池最重要的指標(biāo)之一。同等質(zhì)量的電池，誰能存儲更多的電能，誰的能量密度就高。美國能源部曾經(jīng)為鋰離子電池規(guī)劃了一個(gè)路線圖，原定希望在2017年，鋰電池的能量密度可以達(dá)到每千克400瓦時(shí)。這一數(shù)值意味著，現(xiàn)有的電動車通過單次充電可以持續(xù)跑500公里以上。然而，目前最優(yōu)秀的商用鋰離子電池也僅達(dá)到了預(yù)期的75%[1]。

安全有隱患

其次，在安全性方面，鋰離子電池長期受人詬病。特別是三星手機(jī)的爆炸事故，把鋰離子電池推到風(fēng)口浪尖。

鋰電池的安全隱患源自于對高溫的敏感。一般來說，鋰電池設(shè)備使用溫度需要低于60℃。工廠在安全測試時(shí)，會將電池置于80℃的環(huán)境中進(jìn)行高溫耐久考驗(yàn)，沒有明顯的變形或起火，就算是合格。還有一種比較極端的條件叫做熱濫用測試：將電池放入130℃試驗(yàn)箱中，堅(jiān)持半小時(shí)不起火，即算達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)[2]。

截至目前，媒體報(bào)道過的鋰離子電池“致死”的事故有三起：

2009年，中國廣州一男子疑似因手機(jī)爆炸，造成大出血死亡。隨后調(diào)查發(fā)現(xiàn)其實(shí)是該男子隨身攜帶的自制火藥發(fā)生爆炸，而不是手機(jī)[3]；

2013年，澳大利亞一名四歲女童，因?yàn)橥萄室幻朵囯姵?，造成胃出血死亡[4]；

2016年，美國印第安納州兩人醉酒駕駛電動車，高速撞到一棵大樹，隨后發(fā)生起火，一人因吸入濃煙致死，另一人因?yàn)樽矒糁滤繹5]。鋰離子電池造成致傷的案例報(bào)道也有不少。

但是，如果我們梳理一下鋰電池這幾年“造的孽”，會發(fā)現(xiàn)其中絕大多數(shù)都是“非正常操作”造成的事故。有史以來，殺人最多的事物可能是刀子，但很少聽到對刀子安全性的抱怨。一方面是人們發(fā)明了刀鞘，另一方面也是因?yàn)榇蠹叶贾廊绾问褂盟?。希望鋰離子電池也能迎來這一天。

成本居高不下

第三，造成鋰離子電池成本居高不下的原因有兩個(gè)方面。一是原料太貴。2016年，作為鋰電池主要原料的碳酸鋰，僅用半年時(shí)間價(jià)格就翻了2.5倍。當(dāng)年要是買那么十幾噸碳酸鋰，比炒房掙錢。二是鋰電池的生產(chǎn)尚未規(guī)?；?，各大廠商都在各自為政。這時(shí)，特斯拉又站了出來。他們正在建造了一座千兆工廠（Gigafactory）。這家工廠又叫做超級電池工廠，建成后將成為世界面積最大的建筑。它的任務(wù)就是生產(chǎn)鋰離子電池，并以一廠之力超過全球其他所有工廠產(chǎn)量總和，希望以大規(guī)模生產(chǎn)的方式降低成本。然而，這個(gè)大工廠距離全面投產(chǎn)的階段為時(shí)尚早。

超級電池工廠模擬圖。廠區(qū)看起來像一大盒子積木，可能因?yàn)閺S長是前樂高高管。

如上，性能，安全，價(jià)格這三座大山橫亙在鋰離子電池的未來之路上?？茖W(xué)家們也不確定鋰離子電池在移動儲能領(lǐng)域中霸主地位能延續(xù)到何時(shí)。

如果，鋰離子電池的后續(xù)乏力，那么，下一個(gè)登場的領(lǐng)跑者會是誰呢？

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3種未來

目前，后備選手都很多，比如鈉離子電池，多離子電池，金屬空氣電池，鋰硫電池和液流電池等等。每一項(xiàng)技術(shù)都有自己的優(yōu)勢和不足。下面，就介紹三種潛力較大的電池。

鈉離子電池

鈉(Na)離子電池工作原理與鋰離子電池類似，只不過將電荷的搬運(yùn)工換成了鈉離子。采用鈉的最大好處就是儲量豐富。鈉的總儲量是鋰的400倍。

鈉（Na）是最常見的堿性金屬，也是地球上第六豐富的元素。

此外，在電池中有一個(gè)份量很大的部件叫做集流體，用來收集產(chǎn)生的電流，再將這些電流供應(yīng)到外電路。鈉離子電池中集流體的材料是鋁，而鋁在鋰電池中會被腐蝕，所以鋰離子電池的集流體只能采用銅來制作。鋁的價(jià)格是銅價(jià)格的三分之一。所以，鈉自己便宜，他的小伙伴也很便宜。這個(gè)特點(diǎn)促成了鈉離子電池在成本上的巨大優(yōu)勢。

但鈉離子電池體系的缺點(diǎn)也很明顯。

第一，鈉離子的半徑是0.102nm，而鋰離子半徑僅有0.076nm。不難想象，當(dāng)一個(gè)胖胖的鈉離子在電極中不斷運(yùn)動時(shí)，很容易引起電極材料微觀結(jié)構(gòu)的破壞和崩塌，也就是“撐壞了”，從而造成電池容量的迅速衰減。

第二，鈉元素的相對原子質(zhì)量是鋰的3倍多，這意味著儲存同樣的一份能量，鈉離子電池需要更大的質(zhì)量，進(jìn)而造成了它的能量密度較低。歸根結(jié)底，鈉離子電池的這些缺點(diǎn)只因?yàn)殁c是個(gè)“胖子”。

心疼鈉離子一秒鐘。

多離子電池

在離子狀態(tài)時(shí)，鋰元素的價(jià)態(tài)是+1，意味著它的每次移動可以攜帶一個(gè)電荷，對應(yīng)于一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。所以，當(dāng)鋰的數(shù)量為n時(shí)，這個(gè)電池所能儲存電荷數(shù)量的上限就是1*n。

如果，一個(gè)離子能夠同時(shí)攜帶多個(gè)電荷進(jìn)行移動呢？比如鎂(Mg)離子價(jià)態(tài)是+2，可以同時(shí)攜帶兩個(gè)電荷。理論上講，使用同等數(shù)量的鎂離子和鋰離子，鎂離子電池所能存儲的電荷數(shù)會是鋰電池的兩倍。鋁(Al)離子更厲害，可以同時(shí)攜帶三個(gè)電荷。

基于這個(gè)道理，科學(xué)家們就開發(fā)出了使用高價(jià)態(tài)金屬離子的電池，即多離子電池。因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的離子能夠存儲更高密度的電荷，所以多離子電池容易達(dá)到較高的能量密度。

此外，鋰離子電池使用的電解液是一種有機(jī)溶液，易燃且有毒。但多離子電池所使用的電解液不同，安全性更好。比如，2016年《自然》（Nature）報(bào)道的鋁離子電池中，所使用電解液化學(xué)穩(wěn)定性很高，即使用電鉆在上面鉆個(gè)眼兒，仍然照常工作[6]。

當(dāng)然，多離子電池也同樣會遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價(jià)態(tài)離子，雖然離子半徑?jīng)]那么大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，提著兩大箱行李，試圖在春運(yùn)的火車上穿過一節(jié)車廂。遷移慢所造成的后果是電池的倍率性能不好。倍率性能可以粗略的理解成電池的充放電速度。所以，多離子電池是很難實(shí)現(xiàn)“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”這種性能的。

鋰空氣電池

讓材料與氧氣發(fā)生反應(yīng)是人類獲取能源一種最普遍的方式，比如燒木頭或燒煤炭。因此，科學(xué)家試圖通過鋰與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)為電能。這種設(shè)計(jì)就被稱為鋰空氣電池。

鋰空氣電池的設(shè)計(jì)原理與鋰離子電池有很大的不同。它的負(fù)極材料是金屬鋰，正極是空氣，準(zhǔn)確來說是空氣中的氧氣。放電時(shí)，金屬鋰向電解液提供鋰離子，這些離子與氧氣反應(yīng)，生成過氧化鋰，同時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電能。

鋰空氣電池的理論能量密度很高，達(dá)到每千克12000瓦時(shí)，這一數(shù)值甚至和汽油（每千克13000瓦時(shí)）有一戰(zhàn)之力[7]。而且，它使用的氧氣來自于空氣，這部分原料近乎無限。理論上來講，鋰空氣電池的儲能能力可以達(dá)到鋰離子電池的12倍[7]。

燃燒吧，鋰的小宇宙。

然而，鋰空氣電池也是一項(xiàng)爭議很大的技術(shù)，它的反對者們主要有兩個(gè)觀點(diǎn)：

鋰空氣電池中發(fā)生的反應(yīng)太復(fù)雜，有多種副產(chǎn)物生成。

這造成了科學(xué)家其實(shí)也不太清楚自己的電池中到底發(fā)生了什么。比如有個(gè)業(yè)內(nèi)的八卦，說是一位很有名望的科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）發(fā)了一篇鋰空氣電池的文章，達(dá)到了一個(gè)很棒的性能，可別人怎么也重復(fù)不出來。后來發(fā)現(xiàn)，他所做的鋰空氣電池中，發(fā)生反應(yīng)的其實(shí)是集流體和電池殼，而不是預(yù)想的金屬鋰。最后鬧得尷尬收場。2016年，幾位電池領(lǐng)域的元老一起撰寫了一篇評論，刊登在《自然-能源》（NatureEnergy）上，在結(jié)尾處。他們感嘆道：“沒人能確定鋰空氣電池是否靠譜，但我們有責(zé)任去探究這種可能性”[8]。

即使不考慮電池本身的原料和組裝等因素，想要大范圍應(yīng)用鋰空氣電池，現(xiàn)階段也是不可能的。這其中一個(gè)重要原因是，雖然名為鋰空氣電池，但實(shí)際參與反應(yīng)的是氧氣，因此需要一套附屬設(shè)施來進(jìn)行提取出空氣中的氧氣。這套附屬裝置無論從成本還是便攜度上都極大拉低了鋰空氣電池的競爭力。

然而，鋰空氣電池的巨大潛力和挑戰(zhàn)，還是讓很多有雄心的研究機(jī)構(gòu)紛紛扎了進(jìn)來，雖然，舉步蹣跚。作為納米科技的杠把子，IBM公司就曾想攻下鋰空氣電池這個(gè)山頭。2009年，IBM推出了一個(gè)計(jì)劃，名為“Battery500”，寓意著開發(fā)一套能讓電動車行駛500公里的電池。他們的著力點(diǎn)就是鋰空氣電池。項(xiàng)目伊始，他們設(shè)立的目標(biāo)是2013年造出原型機(jī)，2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)[9]。但是，2012年之后，你就很難在網(wǎng)上找到關(guān)于“Battery500”的只言片語了。如果不是IBM在偷偷憋大招，那么只能說明，這個(gè)計(jì)劃打臉了。不過也有傳言說IBM并沒有放棄，而是將目光投向了鈉空氣電池。希望藍(lán)色巨人能給我們帶來驚喜吧。

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總結(jié)

每一項(xiàng)科技都有其自身的優(yōu)點(diǎn)與缺憾。圍繞著“性能，安全，成本”這三個(gè)指標(biāo)，電池領(lǐng)域的科研人員每天都在探索著材料的極限。科技從來不是十全十美的，我們只能努力去完善。