鋰離子電池是目前可充電電池的最佳選擇，但仍難以滿足當今移動世界的許多需求。一些研究機構(gòu)正在尋找超越鋰離子電池的新技術(shù)。
當今的移動世界離不開鋰離子電池，這是目前可充電電池的最佳選擇。去年，消費者們購買了 50億只鋰離子電池，用來給筆記本電腦、相機、手機和電動汽車供電。美國阿貢國家實驗室能源存儲聯(lián)合研究中心( JCESR)的負責人喬治 ·克拉布特里( George Crabtree)說，“這是有史以來最好的電池技術(shù)”。不過，克拉布特里的目標遠不止于此。
1991年，索尼公司推出第一款商業(yè)版鋰離子電池，與之相比，如今鋰離子電池的能量密度(單位質(zhì)量所存儲的能量)已經(jīng)是原來的兩倍多，而價格只有當初的 1/10。不過，鋰離子電池的能量密度已經(jīng)接近極限，許多研究者認為，對鋰離子電池的改進，最多還能將能量密度再提高 30%。這意味著，鋰離子電池永遠不能像一箱汽油那樣，讓電動汽車連續(xù)行駛 800公里，也不能讓“電老虎”般的智能手機續(xù)航許多天。
2012年， JCESR從美國能源部爭取到 1.2億美元的資金，用于研究超越鋰離子電池的技術(shù)。據(jù)稱，他們期望研發(fā)出的電池，如果做成像現(xiàn)在電動汽車中使用的商業(yè)電池那樣的尺寸，儲能將達到現(xiàn)在的 5倍，價格卻只有現(xiàn)在的 1/5，而這一切都要在 5年內(nèi)做到。這意味著，他們要在 2017年前，使電池的能量密度達到 400瓦時 /千克( Wh/kg)。
克拉布特里說，這個目標“相當激進”。加拿大達爾豪斯大學的資深電池研究專家杰夫 ·達恩( Jeff Dahn)直言道，這是“不可能實現(xiàn)的”。不過，達恩補充道， JCESR的研究目標使人們將注意力集中到一些非常重要的技術(shù)方向上，這將有助于全世界發(fā)展可再生能源，比如存儲太陽能，在夜間或雨天使用。而且，美國的 JCESR并不孤單。亞洲、美洲、歐洲的許多研究團隊和公司都在尋找取代并超越鋰離子電池的新技術(shù)。
鋰-硫電池
2013年初，化學工程師埃爾頓 ·凱恩斯( Elton Cairns)認為，自己研制出了一種新型化學電池，雖然還不太成熟，但極具潛力。他研制的硬幣大小的電池，在經(jīng)歷了幾個月的充放電后，依然狀態(tài)良好。到 2013年 7月，他的電池已在美國勞倫斯伯克利國家實驗室經(jīng)歷了 1500次充放電循環(huán)，而電池容量只損失了一半。這樣的性能，基本可以媲美最好的鋰離子電池了。
凱恩斯的電池基于鋰–硫( Li-S)技術(shù)，所使用的材料價格非常低廉，理論上，這種電池的能量密度是鋰離子電池的 5倍多。不過，研究人員懷疑，在實際應(yīng)用中，這種電池的能量密度可能只能達到鋰離子電池的兩倍。早在 40年前，就有人提出過鋰 –硫電池，但一直以來，研究人員都無法讓它的使用壽命超過 100次充放電循環(huán)。如今，很多人認為，凱恩斯的電池技術(shù)最有可能在商業(yè)應(yīng)用上替代鋰離子電池。
不過，鋰和硫之間的反應(yīng)帶來了一個問題。鋰–硫電池在充放電時，可溶的鋰–硫化合物會滲入電解液，導(dǎo)致電極降解，從而使電池失去電荷，并最終壞掉。為了防止這樣的事情發(fā)生，凱恩斯使用了一些技巧，包括在硫中摻入石墨烯氧化物粘合劑，以及使用專門設(shè)計的不易溶解鋰和硫的電解液。納米技術(shù)和電解化學領(lǐng)域的一些新進展使得這些技巧得以實現(xiàn)。凱恩斯預(yù)測，這種電池商品化之后，能量密度將可以達到 500 Wh/kg。他說，其他一些實驗室也得到了類似的結(jié)果。
一些研究者質(zhì)疑，學術(shù)界的認同未必能轉(zhuǎn)換成商業(yè)上的成功。在實驗室，研究人員通常使用少量硫和大量電解液，這樣比較易于研究，但不能制成高能量密度的電池。
至少有一家公司——英國Oxis 能源公司——看好鋰–硫電池的前景。該公司聲稱，它們已經(jīng)制造出可以充放電900 次的大型鋰-硫電池，并且正在與美國Lotus 工程公司合作，他們希望在2016年前開發(fā)出可用于電動汽車的電池，能量密度將達到400 Wh/kg。
多價離子電池
一些研究者認為，下一代電池應(yīng)該使用更重的元素，比如鎂。每個鋰離子只能攜帶一個電荷，而二價的鎂離子能攜帶兩個電荷，這意味著可以釋放的電能提高了一倍。不過，鎂也有自己的問題。鋰離子能輕松通過電解液和電極，而攜帶兩個電荷的鎂離子移動速度緩慢，就像是在黏稠的糖漿中穿行。
美國阿貢國家實驗室的電池研究人員彼得· 丘帕斯(Peter Chupas)正在與JCESR合作，他用高能X 射線轟擊各種電解液中的鎂，來研究鎂為什么會受到巨大的阻力。截至目前，他和同事發(fā)現(xiàn)，鎂離子能強烈吸引周邊溶液中的氧，從而吸引一大群溶劑分子，這使得鎂離子變得沉重。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家克里斯廷· 佩爾松(Kristin Persson)正在用超級計算機模擬潛在新型電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，她試圖找到一種更好的電極與電解液的組合，讓鎂離子可以更順暢地通過電解液。她說，“我們要研究大約2000 種電解液，目前，我們正在逐個測試”。佩爾松和麻省理工學院的材料科學家赫布蘭德· 塞德(Gerbrand Ceder)成立了Pellion 技術(shù)公司，來研發(fā)這種高容量電池。但公司對其進展三緘其口，目前只發(fā)表了一篇關(guān)于電極的研究論文。除此之外，包括豐田、LG、三星和日立在內(nèi)的各大電子產(chǎn)品公司，都在研發(fā)類似的電池，但這些公司也都很少透露相關(guān)進展。
各家公司暗中較勁的同時，佩爾松也在繼續(xù)開展她的“電解液基因組”計劃。這種利用超級計算機進行篩選的方法，也有助于研究用其他“多價”金屬(multivalentmetals，即一個金屬離子帶有多個電荷，比如鋁和鈣)制造的電池。
氧電池
5年前，溫弗里德·維爾克(Winfried Wilcke)在美國加利福尼亞州圣何塞市的IBM 納米科學與技術(shù)部擔任負責人，他們啟動了一個項目，希望研發(fā)出可以讓電動汽車連續(xù)行駛800 公里的電池。一開始，維爾克關(guān)注的是高能量密度電化學存儲的理論極限——鋰與氧氣的氧化反應(yīng)。與其他類型的電池相比，這種“會呼吸的”鋰–氧電池有巨大的重量優(yōu)勢，因為其中一種主要反應(yīng)原料——氧氣，不必再裝載到電池中。理論上，鋰– 氧(Li-O)電池的能量密度可以媲美汽油發(fā)動機，比現(xiàn)今電動汽車電池的能量密度高10 多倍。
維爾克說，真正的問題是錢，電動汽車的電池成本在每千瓦時500 美元以上，“電動汽車不被大眾接受的真正原因，不是能量密度，而是價格”。所以，維爾克現(xiàn)在更看好一種基于鈉的、更便宜的燃料電池。根據(jù)理論預(yù)測，鈉–氧(Na-O)電池的能量密度是鋰–氧電池的一半，但是，鈉比鋰更便宜。因此，維爾克滿懷希望地說，鈉–氧電池的成本或許可以接近每千瓦時100美元，這正是JCESR 等研發(fā)機構(gòu)認為消費者能夠承擔得起的價格。
在此之前，德國吉森尤斯圖斯-李比希大學的于爾根 ·雅內(nèi)克( Jürgen Janek)和菲利普 ·阿德爾赫爾姆( Philipp Adelhelm)的團隊發(fā)現(xiàn)了一個驚人的結(jié)果：鈉–氧電池的充電效率比鋰–氧電池更高，而且沒有復(fù)雜的副反應(yīng)。此外，鈉–氧電池還可以使用更便宜的電極和電解液。雅內(nèi)克說，他的團隊已經(jīng)證實，他們的電池至少可以充放電 100次——在一項技術(shù)的早期時代，這已經(jīng)很不錯了。化工業(yè)巨頭巴斯夫公司( BASF)正在與他們合作。
不過，也有人并不認同這個方向，比如達恩。爭論的焦點在于“會呼吸的”電池是否需要沉重的過濾裝置，以便從空氣中提取氧氣，而這將會減小甚至完全消除它們的重量優(yōu)勢。達恩說，“鈉–氧電池不過是新一輪的狂熱”，但維爾克愿意試一試。
其他技術(shù)
麻省理工學院的材料化學家唐納德 ·薩多韋( Donald Sadoway)認為，未來的電池更像是一家冶煉廠。另外，研究人員也正在研發(fā)其他各式各樣的新電池，比如鋅–空氣電池和鈉離子電池。但大多數(shù)技術(shù)的電池成本，都比JCESR 的目標價格——每千瓦時100 美元——高5 倍以上。還有一些研究小組正在研發(fā)不那么激進的液流電池。
達恩說，“這些新技術(shù)都還處于早期階段，不同團隊正在研發(fā)的電池系統(tǒng)可謂千奇百怪，所有人都想知道如何延長電池壽命，降低成本”。喬治·克拉布特里說：“大家都在尋找超越鋰離子電池的系統(tǒng)，未來充滿機會，這個領(lǐng)域幾乎還是一片處女地。”
