多年來，電池一直是大多數(shù)電子消費(fèi)品的薄弱環(huán)節(jié)。以智能手機(jī)為例，雖然技術(shù)日新月異，手機(jī)已經(jīng)可以直接觀看高清影像，但是看不了多久就要充電。筆記本電腦雖然裝上了雙核、能夠揮灑自如地執(zhí)行多任務(wù)，但只要全力運(yùn)行幾小時(shí)，內(nèi)部的電池就會(huì)耗盡。我們都經(jīng)歷過這樣的尷尬――等待重要來電時(shí)，手機(jī)卻沒電了；最喜歡的歌曲快要開始，iPod的指示燈卻滅了；死命跑到咖啡館，只為給筆記本電腦充電。多虧美國一組科學(xué)家最近取得的突破，這樣的尷尬將會(huì)越來越少。
著眼源頭，巧用夾心
這個(gè)研究組來自芝加哥的西北大學(xué)，研究帶頭人是芝大化學(xué)和生物工程系的教授哈羅德?？撞┦浚℉arold Kung）?？撞┦亢退耐市?，通過在電池中添加新的材料，他們已經(jīng)能讓電池的儲(chǔ)電量和充電速度大大提高。近期的《高級能量材料》（Advanced Energy Materials）雜志上刊登了對這項(xiàng)創(chuàng)新的介紹，執(zhí)筆的孔博士等人在文中對新技術(shù)做了詳細(xì)描述。
這項(xiàng)研究的對象是鋰離子電池。現(xiàn)在市場上的大多數(shù)可充電設(shè)備都靠鋰離子電池供電，以目前的技術(shù)而論，它有兩個(gè)主要缺陷：一是電力供應(yīng)有限，二是充電速度緩慢。眼下正有越來越多的消費(fèi)者使用智能手機(jī)和平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)密集的操作，比如看電影、玩游戲、上網(wǎng)瀏覽等等。因此，電池的性能自然就成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。
為了提高用電效率，廠商紛紛在自己的產(chǎn)品上動(dòng)起了腦筋，例如蘋果就剛剛完成了iPhone4S的軟件更新，以解決耗電過快的問題；不久前發(fā)明的E-MiLi技術(shù)可以阻止手機(jī)在休眠模式下搜索信號(hào)，從而延長電池的續(xù)航能力；新問世的硅芯片可使處理器的效率倍增，讓設(shè)備在不耗盡電池的前提下完成密集操作；手機(jī)廠商甚至研發(fā)了透明的太陽能顯示屏貼膜，讓智能手機(jī)能在陽光中充電。
以上創(chuàng)意的出發(fā)點(diǎn)都是提高設(shè)備的用電效率；而孔博士等人的目標(biāo)，則是增強(qiáng)電池本身的性能，從源頭上解決電力不足的問題。
顧名思義，鋰離子電池就是內(nèi)部含有鋰離子的電池。每一塊鋰離子電池的正極都安裝了好幾層名叫“石墨烯”的材料，石墨烯是層層疊疊的碳原子，鋰離子位于這些碳層之間，每當(dāng)電池充電或者耗電時(shí)，它們就從一個(gè)碳層移動(dòng)到另一個(gè)碳層。充電，就是將鋰離子送往電池正極的過程，當(dāng)所有離子都抵達(dá)正極，電池就充滿了。而在設(shè)備投入使用的時(shí)候，電池中的鋰離子就開始逐漸向負(fù)極移動(dòng)，當(dāng)它們?nèi)康诌_(dá)負(fù)極，電力即告耗盡。
孔博士和同事的目標(biāo)是增加鋰離子電池的能量密度；換言之，如何在電池中儲(chǔ)存更多能量，以及如何更快地將能量存入取出。他們決定從改變電池正極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手。
鋰離子電池的儲(chǔ)電量是由電池內(nèi)部的鋰離子數(shù)量決定的。在由石墨烯組成的傳統(tǒng)鋰離子電池中，每六個(gè)碳原子可容納一個(gè)鋰原子。為了增加儲(chǔ)電量，科學(xué)家試過用硅來替換碳；硅的容量比碳大，每四個(gè)硅原子就能容納一個(gè)鋰原子，因此更善于儲(chǔ)電，但硅也有它的缺點(diǎn)，就是會(huì)在充電時(shí)膨脹收縮、發(fā)生碎裂，從而使電池迅速失去電力。
為了解決這個(gè)兩難問題，孔博士和同事想到了“夾心”的辦法：他們將細(xì)小的硅簇夾在兩層石墨烯中間。在充電和放電過程中，石墨烯和硅簇一起膨脹、收縮，卻又不至于破裂。這樣一來，不僅硅的形態(tài)得以保持穩(wěn)定，穿梭于電池中的鋰離子數(shù)量也增加到了最大?？撞┦扛嬖V記者：“這辦法算是博采兩家之長，既用硅片提高了能量密度，又用夾心手法減少了硅的伸縮造成的電力損失?！?
至此，儲(chǔ)電量的問題得以圓滿解決，那么，如何才能讓充電速度更快呢？長久以來，鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態(tài)的制約：電池中的石墨烯片非常薄，厚度只有一個(gè)原子，相比之下，他的面積就顯得相當(dāng)龐大了。充電時(shí)，鋰離子必須繞過面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移動(dòng)到石墨烯片的邊緣處，然后回到兩片石墨烯中間停留，這個(gè)過程耗時(shí)漫長、頗費(fèi)周張，導(dǎo)致石墨烯片的邊緣經(jīng)常發(fā)生“交通阻塞”。
有鑒于此，研究人員自然想到了疏導(dǎo)交通的方法――既然決定充電時(shí)間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動(dòng)速度，那為何不給這些離子開辟幾條捷徑呢？運(yùn)用化學(xué)氧化過程，他們在石墨烯片上鉆出了數(shù)以百萬計(jì)的小孔，每一個(gè)小孔的直徑都在10到20納米之間。這樣一來，鋰離子就能更加自由地在電池中穿行，充電速度也隨之提高了。
經(jīng)過夾心和鉆孔處理的鋰離子電池，其儲(chǔ)電量和充電速度都提高到了原來的10倍。
缺點(diǎn)有限，前途無量
新技術(shù)雖然填補(bǔ)了鋰離子電池的現(xiàn)有缺陷，但它本身卻并非完美無缺――在充電150次之后，它的儲(chǔ)電量和充電速度都會(huì)驟降。但孔博士認(rèn)為缺點(diǎn)有限，瑕不掩瑜，他說：“即便在經(jīng)過了一年多的使用和150次的充電之后，新電池的效率仍比市場上現(xiàn)有的鋰離子電池高出5倍。”
自論文發(fā)表、成果公布之后，孔博士就一直忙著招架風(fēng)投公司的邀約。業(yè)界已經(jīng)等不及要將這項(xiàng)成果商業(yè)化，將新電池投入批量生產(chǎn)了。參與研究的科學(xué)家則認(rèn)為新技術(shù)尚不成熟，現(xiàn)在投產(chǎn)為時(shí)過早。他們指出，迄今完成的工作都集中在對電池正極的改良――也就電池供電時(shí)、電流進(jìn)入電池的那一極，眼下需要的是繼續(xù)研究電流流出的負(fù)極，以期進(jìn)一步提高電池性能。孔博士認(rèn)為，如果進(jìn)展順利，新產(chǎn)品有望在三到五年內(nèi)走進(jìn)商場。
一旦投產(chǎn)上市，它會(huì)對我們的日常生活產(chǎn)生什么影響呢？首先肯定是讓各種電子產(chǎn)品更加經(jīng)久耐用、充起電來更加快捷。未來的智能手機(jī)只要15分鐘就能充足電量，還能持續(xù)使用一周的時(shí)間。
從另一方面看，就算將電池的尺寸縮小為現(xiàn)在的1/10，它的性能也可保持不變。只要見過iPad或者智能手機(jī)的電池，就會(huì)明白電池是阻礙電子產(chǎn)品小型化的重要因素。新技術(shù)一旦推廣，許多產(chǎn)品的體積都有望顯著縮小，到時(shí)候，手提電腦和助聽器就再也不需要攜帶那一塊塊沉甸甸的電池了。
不過，孔博士的心底還醞釀著更大的理想。他希望這種新型充電電池能以其更大的容量、更短的充電時(shí)間革新電驅(qū)動(dòng)轎車技術(shù)。
“如果你的電驅(qū)動(dòng)轎車不用每跑60英里（96.5公里）就充一次電，而是可以一連跑上600公里，那么電動(dòng)轎車就會(huì)比現(xiàn)在好用很多。你不用在家充完電再上路，只要中途在加油站稍停片刻、充個(gè)15分鐘的電就行。如果能做到這一點(diǎn)，消費(fèi)者接受電動(dòng)車的阻力就會(huì)減小?！?
他還指出，高品質(zhì)的電池不僅可以推廣電動(dòng)車，還能將太陽能和風(fēng)能這些再生資源產(chǎn)生的電力儲(chǔ)存起來。這將使人類減少對化石燃料的依賴，在降低大氣中的碳排放的同時(shí)，減少對進(jìn)口石油的依賴。
“有了儲(chǔ)存電力的簡單方法，我們這個(gè)電力世代就能更加倚重那些再生資源了?！彼绱苏雇?
