可充电电池革命

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1、可充电电池革命苏然/编译●化学家们正在重新发明可充电电池，努力降低成本、提高容量。移动世界依赖于锂离子电池，这是目前顶级的可充电能量存储件。去年，消费者购买了50亿个锂离子电池给笔记本电脑、相机、手机和电动车供电。“这是任何人见过的最好的电池技术。”总部设在伊利诺伊州芝加哥附近的阿贡国家实验室的美国储能研究联合中心（JCESR）主任乔治·克拉布特里（GeorgeCrabtree）说。但是，克拉布特里想做得更加更加好。现代的锂离子电池与1991年索尼公司卖的最初的商业锂离子电池相比，单位重量能储存超过两倍的能量，而且便宜10倍，但是这已接近极限。大多数研究者认为，改进锂离子电池至多能

2、再提高30%的单位重量储能。这意味着锂离子电池无法像一个汽油箱那样让电动车行驶800公里，也无法让高耗电的智能手机运行很多天。2012年，JCESR总部从美国能源部获得了1.2亿美元的资助，研究超越锂离子电池技术的新技术。它描述的目标是在5年后，当把电池扩大到电动汽车使用的商用电池组那样时，能量密度将比现在的标准能量密度提高5倍，而且便宜5倍。那意味着到2017年，要实现每千克电池储能400瓦时的目标。克拉布特里称这个目标非常进取，而加拿大哈利法克斯达尔豪西大学的资深电池研究者杰夫·达恩（JeffDahn）则认为这是不可能的。自从20世纪早期的铅-镍充电电池发明以来，可充电电池的能

3、量密度只提高了6倍。但是，达恩说，美国JCESR的目标聚焦于帮助世界转向可再生能源的关键技术——例如，储存太阳能用于夜里或雨天。亚洲、美洲和欧洲的许多研究团队和公司也正在寻找锂离子之外的电池技术，寻求可能超越锂离子电池的储能策略。摆脱自重去年年初，当他那硬币大小的电池在几个月的持续放电和充电后依然电力强劲时，化学工程师埃尔顿·凯恩斯（EltonCairns）感觉到他已经掌握了一种有前景但是不易控制的电池化学反应。到7月，他在劳伦斯伯克利国家实验室的电池已经循环使用了1500次，仅仅失去了一半的蓄电能力——大致与最好的锂离子电池的性能并驾齐驱。他的电池基于锂硫电池技术，使用极端便宜的

4、材料，理论上比锂离子电池单位重量能多储存5倍能量（实际上，研究者怀疑，可能只是锂离子电池的两倍）。锂硫电池最早在40年前被发明，但是以前的研究者无法让它们循环使用超过100次。现在，许多人认为这套装置是最接近于接替锂离子电池的在商业上可行的技术。锂硫电池的一个主要优点，凯恩斯说，是它摆脱了锂离子电池的自重。在一个典型的锂离子电池中，除了吸住锂离子几乎没有其他作用的分层石墨电极占据了很大空间。这些锂离子流过一种携带电荷的液体电解质，到达层状金属氧化物电极。如同所有的电池，电流因电子必须绕过外部电路来平衡充电而产生。为了给电池充电，一个电压加到电池上，反转电子流动方向，这也驱使锂离子反

5、向流动回来。在锂硫电池中，石墨被替换为纯锂金属的细片，承担作为电极和锂离子提供者的双重任务：当电池使用时，它就收缩，当电池被充电时，则恢复。而且金属氧化物被更便宜、更轻的、能真正把锂离子包裹进去的硫取代；每个硫原子与两个锂原子绑定在一起，但是它却把不止一个金属原子绑定到一个锂原子上。所有这些都为锂硫电池创建了独特的重量和成本优势。但是锂和硫之间发生的化学反应造成一个问题。随着电池放电和充电，可溶性的锂硫化合物会渗进电解液中，降解电极，使电池失去电荷，电池粘合到一起。为了避免这个问题，凯恩斯使用了因为纳米技术和电解质化学的进步而变得可能的手法——包括在他的硫电极中掺杂石墨烯氧化物粘合

6、剂，使用特别设计的、不太会溶解锂和硫的电解液。凯恩斯预测，一个商品大小的电池能达到大约500瓦时每千克的能量密度。其他实验室也报告了相似的结果，他说。一些研究者怀疑学术上的成功是否能转化成商业成功。实验室通常使用低比例的硫和许多电解液，这相对比较容易开展研究，但是并不能创造出一种能量密度高的电池。提高硫的比例、减少电解液则会使电池更容易粘合，史蒂夫·维斯科（SteveVisco）说，他在伯克利的一家叫PolyPlus的电池公司里，已经对锂硫电池研究了20多年，这家电池公司就在凯恩斯的实验室以西5公里。制造一种便宜的能在一定温度范围内使用的商用电池也将很困难，他说。至少一家公司代表了

7、锂硫电池的前景：位于英国阿宾顿的OXIS能源公司。该公司称，它的大型电池已经循环使用了令人印象深刻的900次，可与目前的锂离子电池的能量密度相媲美。OXIS能源公司正与总部位于密歇根州安娜堡的莲花工程公司合作一个项目，目标是到2016年给电动车的电池储能达到400瓦时每千克。储存更多能量作为世界上最轻的金属，锂具有巨大的重量优势。但是一些研究者认为，下一代电池应该转变成更重的元素，比如镁。不像锂，每个只能携带一个电荷，带有两个正电荷的镁离子每次能携带两个电荷穿梭——立