在現(xiàn)有的技術(shù)條件之下，電池容量與體積正在構(gòu)成一種正比關(guān)系，體積越大，電力就越持久。
這是一件很難兩全其美的事。目前在世界范圍內(nèi)，對(duì)電池蓄容能力的開發(fā)主要采取兩種辦法，一種是尋找更好的電極材料，另一種就是改變電池的加工工藝。而中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員郭玉國告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》，前者的摸索已經(jīng)接近了極限，后者需要付出的成本也過于昂貴，無法使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。郭玉國是中國硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事，也曾在德國馬普協(xié)會(huì)納米能源化學(xué)重大項(xiàng)目組擔(dān)任項(xiàng)目研究員。
一個(gè)完整的充放電的過程，就是鋰離子向電池兩極移動(dòng)的過程。充電，就是將鋰離子送往充電電池的正極，當(dāng)所有鋰離子都到達(dá)正極、填滿石墨烯材料之間的縫隙的時(shí)候，電池就充滿了；相反，當(dāng)鋰離子的電力逐步失去，它們就會(huì)往負(fù)極移動(dòng)，當(dāng)所有鋰離子都到達(dá)負(fù)極，電力也就耗盡了。
這就是為什么通常電池的體積越大、電力就越強(qiáng)的原因。因?yàn)橛辛烁蟮碾姵卣龢O，就可以吸附更多的帶電鋰離子。
眼下常見的充電電池都是鋰離子電池。每一塊鋰離子電池的正極，都被裝上了石墨烯材料。更簡單地說，這是一種碳層，用來吸附存儲(chǔ)了電力的鋰離子。
為了提高對(duì)鋰離子的吸附能力，人們已經(jīng)不止一次地在改善電極材料上做出嘗試。
芝加哥西北大學(xué)的化學(xué)和生物工程系教授Harold Kung曾想出了一種辦法，他把另一種可以吸附鋰離子的材料—硅，夾在石墨烯中間。在試驗(yàn)中，硅可存儲(chǔ)的鋰離子數(shù)量比石墨材料要多10倍。
在充放電過程中，石墨烯和硅一起膨脹收縮，石墨烯可以保證硅的形狀穩(wěn)定，不至于破裂。這種辦法真的使電池的儲(chǔ)電量達(dá)到了原來的10倍。但它的缺點(diǎn)也很快暴露，Kung后來承認(rèn)在充電150次之后，它的儲(chǔ)電量和充電速度都會(huì)驟降，在產(chǎn)品耐用性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。
另外一家位于加利福尼亞的創(chuàng)業(yè)公司Amprius，正在試驗(yàn)一種可以彎曲、膨脹、四處移動(dòng)的硅納米線，將鋰離子收納其中。這種技術(shù)需要一種全新工藝，這種工藝此前并沒有用于電池制造，成本也不菲。
不過美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科學(xué)家們，現(xiàn)在似乎找到了一種新方法。他們正在研究的一項(xiàng)技術(shù)，可以使電池的電力容量提高30%以上，并且可以更小、更耐久。更關(guān)鍵的一點(diǎn)是，這一技術(shù)可以在現(xiàn)有的制造工藝上實(shí)現(xiàn)，因而不會(huì)有過多的成本支出。
他們計(jì)劃將用硅全面代替石墨烯，而不是將兩者混合。有一點(diǎn)不能否認(rèn)，那就是在所有被摸索出來的方案中，硅材料有著最佳的對(duì)帶電鋰離子的吸附能力。
然而在電池正極上使用硅，到現(xiàn)在也仍然是一個(gè)大難題。勞倫斯·伯克利實(shí)驗(yàn)室環(huán)境能源技術(shù)部的研究員劉高作的一個(gè)比喻是：石墨就像海綿，當(dāng)它吸收鋰離子之后，會(huì)保持形狀；但硅卻更像一個(gè)氣球，在充放電的過程中會(huì)膨脹和收縮，一旦發(fā)生碎裂，就會(huì)完全失去導(dǎo)電性。
石墨烯畢竟不是粘合劑，它無法粘住那些可能發(fā)生破碎的硅顆粒，讓它們一直保持高導(dǎo)電性，同時(shí)富有彈性。這正是Kung的計(jì)劃失敗的原因。
是的，粘合劑，劉高計(jì)劃用它將電池正極上的硅材料“粘”在一起。在目前的電池制造工藝中，本就會(huì)在石墨顆粒表面涂抹一種粘合劑。使用粘合劑的理念，無需對(duì)現(xiàn)有制造工藝做出太大改動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)廠商而言不會(huì)造成額外的技術(shù)負(fù)擔(dān)。
“利用硅和新型粘合劑的結(jié)合，的確是現(xiàn)有技術(shù)條件下，最有效的一個(gè)突破方向。” 郭玉國說。
這一計(jì)劃的另一個(gè)關(guān)鍵角色是3M公司。劉高的小組目前正在與3M公司合作，測(cè)試一種新型的粘合劑。作為全球知名的化學(xué)材料公司，3M在粘合劑研究領(lǐng)域一直保持著領(lǐng)先地位。
劉高與一些理論化學(xué)家一起，在由3M提供的眾多的聚合物中尋找具有電氣性能的，一旦發(fā)現(xiàn)就想辦法讓它們變得更有粘性，這需要漫長而枯燥的測(cè)試。
目前實(shí)驗(yàn)小組已經(jīng)測(cè)試了650個(gè)充電周期。他們已經(jīng)測(cè)試出的一種粘合劑，用在其他材質(zhì)的電池上，包括對(duì)錫制成的電池也同樣有效?，F(xiàn)在劉高已經(jīng)拿到了這種粘合劑的專利。
3M公司還證實(shí)，旗下的工廠計(jì)劃擴(kuò)大“硅基電池材料”的生產(chǎn)規(guī)模，為未來新型電池的量產(chǎn)做準(zhǔn)備。
這個(gè)“未來”可能不會(huì)太遙遠(yuǎn)。按照已經(jīng)公布出來的數(shù)據(jù)，利用硅材料和粘合劑，新型電池可以達(dá)到的存儲(chǔ)容量為每克1400毫安時(shí)，這意味著它在1小時(shí)內(nèi)完全放電的電流將達(dá)到1300毫安，這一數(shù)字比傳統(tǒng)陽極存儲(chǔ)的300毫安高多了。
這是一個(gè)好消息，未來的電子產(chǎn)品或許不會(huì)再遭遇蘋果公司“New iPad”的尷尬：出于對(duì)提高電池容量等多方面的考慮，New iPad將產(chǎn)品厚度從上一代的8.8毫米增加到了9.4毫米。但即便只有0.6毫米，一些用戶也并不買賬，認(rèn)為這有違蘋果新一代產(chǎn)品會(huì)更輕更薄的傳統(tǒng)，并且影響使用。
如果新型電池能應(yīng)用到純電動(dòng)汽車等更大型的設(shè)備上，會(huì)是另外一番情景。比如你可以開著電動(dòng)車來一次長途旅行，而無需像現(xiàn)在這樣極度依賴充電站。
你看，升級(jí)電池實(shí)際上也完全可以成為提升用戶體驗(yàn)的一部分。
