终极电池在哪里?锂空气和燃料电池值得期待

终极电池在哪里?锂空气和燃料电池值得期待

自从 20 世纪中期电脑晶片发明以来,技术就一直在飞速进步,我们可以用一个故事来讲述:摩尔定律。每 2 年晶片中的电晶体数量就会倍翻,其他技术也在进步,最终使得处理器的性能每隔 18 个月提昇一倍。从摩尔定律被定义的那天起,到现在已经四十多年了,它一直没有被打破。一代人在电子领域创造了惊人的进步,摩尔定律很好地诠释了这些进步;在摩尔定律的推动下,智慧手机已经进入到亿万人的口袋,它比几十年前最好的电脑还要强大几千倍。

再看看装置中使用的电池,它的发展和摩尔定律完全不匹配。1991 年 Sony 率先将锂电池商用,到今天这门技术并没有明显改变。汽车使用的技术更为古老,内燃发动机的基本设计、车用铅酸电池几十年都很少改变。

纵观设计的历史,大多时候企业们根本没有改变的欲望,产业一直运作得很好,我们很少去考虑电池。回看 2000 年时,手机充一次电可以用好几天。然而在过去的 10 年里,我们已经进入了智慧手机时代,电池的不足开始变得严重起来。与 9 年前贾伯斯发表的 iPhone 相比,苹果最新的手机强大 16 倍,但它的续航时间仍然不到一天。

终极电池在哪里?锂空气和燃料电池值得期待

新旧手机之所以性能差距如此之大,主要归功于工程进步,它是透过提高处理器效能实现的,而不是因为电池更好。至于毫安培时(在一定的放电时间下完全放电产生的电流),iPhone 6s 只比 2007 年第一代 iPhone 提高了 22%。

锂电池挑战

设计锂电池很简单。当电池充电时,电子流通过电路传送到负极,吸引电解质溶液中的锂离子(一种可带电粒子)。当我们使用电池时,离子会透过溶液转移到负电极,它会释放电流帮装置充电。

这是相当基本的化学过程,结果就是很难改进。只有几种元素可以使用,而事实证明锂是最适合的。要改进电池,办法就是改变电极和电解质的化学成分,但改进是逐步进行的,而且随着时间的推移改进会越来越难。儘管富有的科技公司不断向电池投入资本,每年电池的性能仍然只能提升 5%。事实上,许多电池製造商发现要提升电池效能,最好的办法就是增加体积,让它有更大的空间容纳更多的离子。

对于许多人来说,这样的办法显然不够好。智慧手机最开始只是日常生活的重要部分,现在成了我们的基本需求。我们用它来支付款项、通讯、导航,如果手机不能用,我们会很心烦。这还不算什幺,当电动车、抢救生命的健康设备没有电时后果更严重。依照预测,太阳能将是未来的主要能源,如果没有太阳,电池就要有很大的储存容量才行。

替代产品

人们对电池越来越依赖,受到需求的推动,企业投入大量的时间和金钱开发锂电池替代产品。

去年,剑桥大学科学家宣布获得巨大突破,它们开发了「锂空气」(lithium-air)电池,科学家宣称新电池的性能是现有锂电池的 10 倍。新技术直接使用空气中氧气的部分电子,而不是使用储存在电池一端的电子,他们宣称电池的性能可以大幅提高,充电一次可以让一辆电动汽车从伦敦开到爱丁堡。

剑桥科学家将这种「锂空气」电池称为「终极电池」,其实这种设计几十年前就出现了,但传统的过氧化锂设计被证明是不稳定的,而且不支援多次充电。採用新的化学成分替代氢氧化锂能减少耗电化学反应的次数,使得电池可以反覆充电 2,000 次以上。

美国伊利诺斯州阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究者上周宣布取得突破,他们推出了超氧化锂物电池,新技术解决了其他锂空气电池的许多主要难题。新设计还要几年才能投入商用,可能至少需要 10 年时间。

还有一个方案也许同样行得通:不开发更好的电池,而是寻找更好的方法提供能量。英国 Intelligent Energy 公司宣称,在不久的将来可以在消费电子产品上使用氢燃料电池。

终极电池在哪里?锂空气和燃料电池值得期待

Intelligent Energy 公司 CEO Henri Winand 说,採用新技术开发的原型电池能够让智慧手机连续用上一星期,可以让无人机飞几小时而不是 30 分钟。它不需要充电,燃料电池可以在内部互换。公司还与 Suzuki 合作开发搭载燃料电池的滑板车,它还与一家新兴智慧手机商开发使用燃料电池的产品。Winand 说:「以后我们不用再按照电量来安排生活。」他说採用燃料电池的手机还有 18 个月就会出现。

对于依赖电池的消费者和企业来说,这样的速度还是不够快,燃料电池可能需要好多年才能形成主流。同时,一些技术企业仍然在投资锂电池技术,它们认为短期之内这是最好的选择。

放眼全球,有许多企业大规模使用电池,特斯拉是其中的一个,它投资近 50 亿美元在美国内华达建造锂电池工厂。还有一些消费电子企业拒绝依赖突破性技术,它们转而重视无线充电技术或者快速充电技术,只需要半小时或一小时就可以将电池从 0% 充到 60%。

即使是最有希望的新电池暂时也还不可能取代锂电池,新电池还需要多年的测试,需要法律的许可,然后才能进入到汽车和手机中。不论谁赢得竞争,它的电池都将是本世界最大的突破之一。

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