終極電池在哪裡？鋰空氣和燃料電池值得期待

作者 雷鋒網 | 發布日期 2016 年 01 月 20 日 11:22 | 分類 零組件 , 電池

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自從 20 世紀中期電腦晶片發明以來，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倍翻，其他技術也在進步，最終使得處理器的性能每隔 18 個月提昇一倍。從摩爾定律被定義的那天起，到現在已經四十多年了，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。

再看看裝置中使用的電池，它的發展和摩爾定律完全不匹配。1991 年 Sony 率先將鋰電池商用，到今天這門技術並沒有明顯改變。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，產業一直運作得很好，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 年前賈伯斯發表的 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。

新舊手機之所以性能差距如此之大，主要歸功於工程進步，它是透過提高處理器效能實現的，而不是因為電池更好。至於毫安培時（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，離子會透過溶液轉移到負電極，它會釋放電流幫裝置充電。

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分，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。我們用它來支付款項、通訊、導航，如果手機不能用，我們會很心煩。這還不算什麼，當電動車、搶救生命的健康設備沒有電時後果更嚴重。依照預測，太陽能將是未來的主要能源，如果沒有太陽，電池就要有很大的儲存容量才行。

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，而不是使用儲存在電池一端的電子，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，而且不支援多次充電。採用新的化學成分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 2,000 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，新技術解決了其他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手機商開發使用燃料電池的產品。Winand 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。