中國儲能網(wǎng)訊：2014年9月，蘋果公司發(fā)布了新一代iPhone，和此前歷代產(chǎn)品一樣，這款最新的智能設(shè)備，處理器和圖形芯片性能又獲得了大幅度提升。然而，蘋果及其他手機(jī)制造商從來不會在發(fā)布會上提及，有一個(gè)組件多年來一直沒有變化，那就是鋰電池。不管是智能手機(jī)、平板電腦，還是如今異常火爆的特斯拉電動(dòng)車，所有電子設(shè)備使用的鋰電池技術(shù)，和1991年索尼公司發(fā)布的首個(gè)商用鋰離子電池并無本質(zhì)差別。
在過去的23年時(shí)間里，人們并非毫無創(chuàng)新，全球各地的研究人員從未放棄研發(fā)新型電池技術(shù)。2014年更是取得了一系列突破，在充電效率、電池容量、發(fā)熱冷卻等方面，傳統(tǒng)的鋰電池也已經(jīng)表現(xiàn)得越來越好，很多新的電池技術(shù)似乎也已經(jīng)看到了商用曙光。
但直到現(xiàn)在，電池的使用時(shí)間仍然很難讓人滿意，電池技術(shù)依舊是所有電子設(shè)備進(jìn)化的最大瓶頸，而且從產(chǎn)業(yè)化的角度來看，電池技術(shù)距離革命性突破，仍有一段不小的距離。
魚和熊掌不能兼得
電池技術(shù)為何難以出現(xiàn)革命性突破？主力軍鋰離子電池到底出了什么問題？
鋰的原子序數(shù)是3，這意味著它有三個(gè)質(zhì)子，是最輕的堿金屬元素，這讓它成為已知材料中最適合用來制備可移動(dòng)電池正極的材料。
當(dāng)然，除了鋰，鋰電池中還包括磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料。和更早的鎳電池相比，鋰電池更小、更輕、能量密度更高，用了不到15年時(shí)間就替代鎳電池，成為當(dāng)下主流的電子設(shè)備電池技術(shù)。
但其也存在不少問題，最主要的是發(fā)熱。鋰電池充電和放電的過程中，在高密度的空間內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量。
對于智能手機(jī)等小型電子設(shè)備來說，由于容量限制，發(fā)熱帶來的麻煩還不算大，依靠手機(jī)內(nèi)部的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)基本能解決散熱問題，但對于特斯拉電動(dòng)車這種底盤鋪滿數(shù)千塊鋰電池的大家伙，就必須采取相應(yīng)的冷卻措施。
這就是為什么幾乎所有電動(dòng)汽車或者混合動(dòng)力汽車的鋰電池組上，都附帶了體積龐大的液態(tài)冷卻設(shè)備，不過即便如此，某些電動(dòng)車電池爆炸起火的事故還是時(shí)有出現(xiàn)。
鋰電池中鋰離子的數(shù)量是固定的，想要更長久的電池使用時(shí)間，就必須增加電池?cái)?shù)量，但這又意味著更重的設(shè)備、更大的發(fā)熱量以及更高的過熱爆炸可能性。如果想要更安全或者更便攜，就必須犧牲電池?cái)?shù)量和使用時(shí)間。
換掉鋰電池
順著這個(gè)思路，研究人員想到的一個(gè)突破方向，就是尋找更安全、能量密度更高的材料，換掉鋰電池。
空氣很可能會成為那個(gè)更好的選擇之一，不久前，以色列一家科技公司研發(fā)出了使用鋁和空氣作為電極的新型電池，這種電池可以利用空氣中水分子與鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并放電。
事實(shí)上，這種金屬-空氣的電池技術(shù)早在上世紀(jì)60年代就已問世，它的原理是以99.9%高純度的鋁為陽極，水分子中的氧為陰極，利用水溶液作為電解質(zhì)，讓鋁板攝取氧，完成放電過程。
在整個(gè)化學(xué)過程中，最終的產(chǎn)物是氫氧化鋁，所以這種電池技術(shù)看起來更穩(wěn)定更安全，而且鋁-空氣電池的能量密度也大大高于等質(zhì)量的鋰電池，理論能量密度能達(dá)到8.1千瓦時(shí)/千克。目前特斯拉電動(dòng)車所使用高能鋰電池，能量密度也只有約0.3千瓦時(shí)/千克。
另一個(gè)同樣在電池技術(shù)領(lǐng)域流行的突破思路是，如果不能換掉鋰電池，那就換一種充電方式。
目前最有希望被普及的另類充電方式，是無線供電技術(shù)。請注意，這里所說的不是早些年手機(jī)廠商們推出的帶著托盤的無線充電手機(jī)，而是效率更高的無線供電技術(shù)。
如果從原理上看，無線充電和無線供電其實(shí)沒有太大的差別，兩者都是利用電磁感應(yīng)、共振或耦合原理。它最早源自19世紀(jì)90年代交流電之父尼古拉·特斯拉的設(shè)想，他提出可以利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。
形象一點(diǎn)的說法，就和高音歌唱家有可能把某個(gè)相同振動(dòng)頻率的玻璃杯唱爆是一個(gè)道理，只不過電磁感應(yīng)和共振不至于把電子設(shè)備震爆。
與無線充電相比，無線供電的優(yōu)勢在于突破了距離上的限制。美國一家公司正在做的傳輸器解決方案，最遠(yuǎn)的電能傳輸距離已經(jīng)可以達(dá)到10米。
盡管和動(dòng)輒數(shù)百米的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線供電的傳輸距離還有些短，但至少在技術(shù)層面，實(shí)現(xiàn)無線供電，就已經(jīng)算是走出了第一步。
更大的難題
那么，為什么人們還沒有在機(jī)場、酒店或者咖啡店看到類似無線網(wǎng)絡(luò)的無線電源熱點(diǎn)？
事實(shí)上，無線供電普及的最大障礙，并不是傳輸距離還不夠長等技術(shù)難題，而是市場上各種電子設(shè)備的無線供電標(biāo)準(zhǔn)兼容難題，這已經(jīng)超出了科研人員所能控制的范疇。
就像高音歌唱家的例子，如果各個(gè)杯子的振動(dòng)頻率都不一樣，想要所有的杯子都能被唱爆是不可能的。
不過，2008年國際上多家行業(yè)內(nèi)的公司和協(xié)會，已經(jīng)成立了無線電力傳輸國際標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，致力于統(tǒng)一無線供電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)盟的一位中國公司成員說，出臺一個(gè)類似于WiFi的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間應(yīng)該不會太遙遠(yuǎn)。
相比而言，替換掉鋰電池的新型電池技術(shù)方案就要艱難得多。最有希望的金屬-空氣電池技術(shù)至今仍有很多實(shí)際的問題需要解決，比如使用過程中，需要定期往電池組里加水，而且它是不可充電電池，鋁板完全氧化反應(yīng)成氫氧化鋁后，就必須重新更換鋁板。
這無疑會加大成本，阻礙金屬-空氣電池技術(shù)投入使用，不過好消息是研究人員正在努力延長鋁板氧化反應(yīng)時(shí)間、降低鋁板回收利用成本，爭取盡早將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。
美國凱特琳大學(xué)莫特工程科學(xué)中心研究員凱文認(rèn)為，即便在技術(shù)層面已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化要求，將它們制成適合各類電子設(shè)備的成品大規(guī)模應(yīng)用，又會是另外一個(gè)漫長的等待過程。如果沒有特殊的爆發(fā)誘因，至少最近5年，人們很難看到真正成熟的革命性電池技術(shù)。
