技術正在改變電池的原本面貌，帶來性價比更高的電池。

關于2012年夏天的“全面回憶”，除了倫敦奧運之外，還有美國的“好奇”號火星探測器。雖然不知道“好奇”號有沒有受到火星上的“馬丁叔叔”們的歡迎，但是為“好奇”號提供動力的“大盒子”卻受到了地球人的關注。那是一塊重45公斤、60厘米的方形電池，這塊電池可以為“好奇號”全年無休地提供14年電力。有數(shù)據(jù)顯示，“核電池”提供的電能幾乎是太陽能電池的3倍。

美國航空航天局（NASA）對于“核電池”的官方稱呼是“多任務放射性同位素熱電發(fā)生器（縮寫為MMRTG）”，其原理是利用半衰期較長的放射性元素穩(wěn)定衰變時發(fā)出的熱量，加熱熱電材料，將熱能轉(zhuǎn)化成電能為全系統(tǒng)供電。“好奇”號使用的是約5公斤重的钚-238，一種極昂貴又難制備的放射性元素。“核電池”這般引發(fā)地球人關注的主要原因，在于人們對于高速、大容量儲電技術的需求，不過“核電池”雖好，但日本核電泄漏事件讓人總是感覺對“核”有點不放心……

目前普通化學電池技術幾乎發(fā)展到極致，難以再有革命性的突破；鋰電池和太陽能電池都有成本高的問題；電池技術的突破口被認為在新燃料電池上，其中的氫燃料電池發(fā)展最為熱門，日本的幾大汽車公司都擁有相關專利。不過，電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度遠沒有人們希望的那樣快，以美國的情況來看，奧巴馬總統(tǒng)于2009年宣布了一項24億美元的撥款計劃，作為美國的電動汽車電池制造業(yè)的啟動資金。但三年的時間里，靠該筆資金建起的工廠要么沒有開工，要么實際產(chǎn)能遠遠低于最初的設計。原因是因為人們買的電動汽車的數(shù)量不足，其中一個原因是電動汽車的價格是傳統(tǒng)汽油車的兩倍。關鍵問題在于高容量電池被制造出來之前，電池價格仍將居高不下。電池技術可能出現(xiàn)的突破也可能要經(jīng)歷數(shù)年的漸進式發(fā)展，就像豐田“普銳斯”讓電動汽車逐漸獲得競爭力的過程一樣。盡管前途沒有想象的那么樂觀，但在既有電池技術中的突破和未來電池的發(fā)展趨勢，可以讓人們看到電池領域里技術正在發(fā)生的變革。

突破篇

盡管電動汽車的發(fā)展差強人意，但是智能手機的普及和太陽能產(chǎn)業(yè)的興盛都帶來大量電池供電需求。人們熟悉的鋰離子電池，被認為是現(xiàn)代高性能電池的代表。目前科學家正在研制新型鋰電池，比如磷酸鋰鐵（LiFePO4）電池。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，這種新型鋰離子電池更高效，使用壽命更長、重量更輕、單位成本更低。這項由美國南安普敦大學（University of Southampton）和鋰離子電池技術公司里普系統(tǒng)公司（REAPsystems）聯(lián)合進行的研究，使得鋰電池能源效率為95%，而目前常用的鉛酸電池只有80%左右。

另一些電池固有的技術有望得到革命性的突破，比如鋅空氣電池技術。電池開發(fā)商曙光儲能公司（Eos Energy Storage）宣布自己可以徹底改革電網(wǎng)儲能。他們研發(fā)的鋅空氣電池可以儲備能量，成本只有天然氣發(fā)電的一半。該公司宣布已經(jīng)生產(chǎn)出的千瓦級鋅空氣電池原型可充放電2700次，并且沒有任何物理衰退，最終產(chǎn)品可持續(xù)使用30年，進行電網(wǎng)級應用，循環(huán)壽命比鉛酸電池高幾個數(shù)量級，這使鋅空氣電池有望成為一種持續(xù)使用時間最長的電池類型。這項技術除了可用于電網(wǎng)儲能，也可用于電動車輛。

液體電池也是一個值得關注的方向。美國馬薩諸塞州（Massachusetts）劍橋（Cambridge）的液態(tài)金屬電池公司（Liquid Metal Battery）研制可以廉價存儲夜間產(chǎn)生的風電的電池。這種液體電池的原理是利用鎂作負極（頂層），鹽混合物含氯化鎂，用作電解質(zhì)（中間層），而銻用作正極（底層）的組合，在700攝氏度或華氏1292度的溫度下運行產(chǎn)生電流。目前該公司正在優(yōu)化系統(tǒng)的各個方面，包括一些容器，用于容納熔化的材料，也有一些絕緣和加熱的方法，還有用于降低工作溫度的方法以減少能源成本。

氫燃料電池的發(fā)展更是值得關注。氫燃料電池是一種清潔能源?？罩锌蛙嚬緦⒁慌_90千瓦的氫燃料電池安裝到德國航空航天中心所有的一架A320客機上，為飛機的非推進系統(tǒng)（比如照明設備、娛樂設施以及環(huán)境控制系統(tǒng)）供能，即可減少15%的燃油消耗，它們正在為2015年之前的試飛做準備。除了照明設備、娛樂設施以及環(huán)境控制系統(tǒng)，氫燃料電池還將為機上的航空電子設備、液壓系統(tǒng)和燃料罐的安全保障系統(tǒng)（人工保持低氧水平）供能。氫燃料電池消耗空氣，置換氧并產(chǎn)生水。該系統(tǒng)可以減少起飛時需要攜帶的水的重量。要知道，在某些大航線，水的重量可達3000磅之多。

不過氫燃料電池的成本是個問題，3月北卡羅萊納州（North Carolina）開始建造美國最大的專用氫燃料電池能源項目是個降低成本的好消息。美國能源情報署（Energy Information Administration）最近一份報告表明，氫燃料電池是世界上最昂貴的發(fā)電形式，每兆瓦耗資670萬美元。而北卡羅萊納州氫燃料電池項目，是蘋果公司燃料電池總規(guī)模的一小部分。這座工廠包括24個燃料電池模塊，會從天然氣中提取氫。這個項目考慮運用中佛羅里達大學（University of Central Florida）的研究成果——以一種類似三明治的結(jié)構，分層放置更便宜更豐富的元素（氫燃料電池多需要金、鈀等貴金屬），使其更有效。

另一個可以讓既有的電池變得更有效的領域是電池管理軟件系統(tǒng)。紐約市立大學（CUNY）能源研究所一直在開發(fā)創(chuàng)新的低成本電池系統(tǒng)，安全，無毒，可靠，具有很快的放電速率和很高的能量密度，研究所稱，已制成一種可操作的樣品，是鋅陽極電池（zinc anode battery）系統(tǒng)。這種電池可以被大規(guī)模商業(yè)化推廣。鋅陽極電池更環(huán)保，成本更低，可以替代鎳鎘電池（nickel cadmium batteries）。從長遠來看，它們也可以替代鉛酸電池，進入成本更低端的市場。然而，鋅具有枝狀晶體生長（dendrite formation）的問題，會導致電池短路。為了防止枝狀晶體堆積，紐約市立大學研究人員開發(fā)出一種液流輔助的鋅陽極電池，帶有復雜的先進電池管理系統(tǒng)（BMS：battery management system），可控制充電/放電規(guī)程。

實際上，電池管理系統(tǒng)是一種嵌入電池內(nèi)的應用軟件。有了它之后，電池能夠“學會思考”，化學電能存儲能夠達到更有效和更安全的水平。好的電池管理系統(tǒng)包含多重隔離電路及主動保護、高精度實時信號處理與溫度保護電路、大容量數(shù)據(jù)管理在線程序升級、高等級外部防護和高效電能轉(zhuǎn)換等多項自有技術。獲得達沃斯論壇2013技術先鋒稱號的安徽力高新能源技術有限公司是該領域的積極推動者。

太陽能電池技術的新突破

太陽能電池是近年發(fā)展的熱點，由于世界各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池目前是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，因此很多新技術在這一領域內(nèi)得以發(fā)展和成熟。目前硅太陽能電池是當中發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位，因此降低晶硅成本技術非常重要。美國雙溪技術公司（Twin Creeks Technologies）開發(fā)出一種方法，用以制作晶硅薄片，可以使硅太陽能電池的生產(chǎn)成本減少一半。晶硅片占太陽能電池的大部分，傳統(tǒng)方法制備晶硅片，需要切割塊狀或柱狀硅，形成200微米厚的晶圓，這個工藝會把大約一半的硅變成廢棄物。雙溪公司的工藝可以制作20微米厚的硅片，基本上沒有浪費，其結(jié)果是硅量減少了90%，大大降低了成本。

而延長太陽能電池模塊壽命也是降低太陽能發(fā)電成本的關鍵，因此衍生出抗老化技術。硅酮是有前途的材料之一。盡管到現(xiàn)在為止，光伏組件的封裝都會用到硅酮，然而硅酮并沒有廣泛用于太陽能電池板。太陽能電池板就是脆弱硅晶片周圍的保護層。道康寧公司（Dow Corning Corporation）的研究團隊展開了研究（該公司是世界上用于醫(yī)療技術、化妝品、汽車業(yè)、紙張加工和電子產(chǎn)品的最大硅酮生產(chǎn)商），科學家用液體硅酮涂抹光伏電池，實驗結(jié)果證明，與傳統(tǒng)的太陽能電池組件相比在強風中，硅酮包裹的光伏組件在強風中可以循環(huán)安裝更多次，特別是在零下40攝氏度霜凍條件下更是如此。

另一個方面是等離子體技術。澳大利亞斯威本理工大學（Swinburne University of Technology）和尚德電力控股公司開發(fā)出世界上最高效的廣譜納米等離子體太陽能電池。研究人員介紹，他們制造的薄膜太陽能電池，使絕對效率達到8.1%。薄膜電池價格便宜，可以替代笨重的晶硅電池。他們采用的新技術可以讓黃金和銀納米粒子聚集成核，形成凹凸不平的表面，散射光線會因此更多地進入廣譜波長范圍，帶來更大的光線吸收，從而提高太陽能電池的整體效率。這項新技術會極大地影響太陽能產(chǎn)業(yè)，因為納米集成價格低廉，而且易于升級，很容易被轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線，納米技術有望帶來下一代太陽能電池。

科學家們同樣在材料技術上也在探尋著努力。比如美國塞木普銳斯公司宣布，已經(jīng)制成世界上最高效的太陽能電池板。這家公司的太陽能電池板使用微型太陽能電池，制備成分是砷化鎵（gallium arsenide），這種模塊包含數(shù)以百計的微型太陽能電池，每個電池的寬度相當于圓珠筆畫出的一條線，這些電池排列在透鏡下，透鏡可聚集陽光1100倍。砷化鎵可以更好地吸收陽光，遠遠勝過硅，不過砷化鎵更昂貴。G24創(chuàng)新公司已宣布獲得技術突破，研制成的染料敏化電池，接近模仿自然界光合作用中的光反應。新組成的染料和電解質(zhì)經(jīng)過設計，可有效捕獲室內(nèi)環(huán)境光線出現(xiàn)的光譜，產(chǎn)生較高的電壓，從而可以利用這些光線產(chǎn)生更多的再生電力。這種光伏電池已經(jīng)進入應用階段，比如用于拉斯維加斯最大酒店的遮光遮陽系統(tǒng)，無線鍵盤等電腦外設上。這一突破會最終取代電池，被應用于日常消費類電子產(chǎn)品。這項技術的另一個關鍵優(yōu)勢，是它可提供干凈的界面，連接消費類電子產(chǎn)品和電網(wǎng)，減少“幻路”（phantom）備用電源流失。

另一方面，一種新技術正在讓染料敏化太陽能電池使用低成本的有機染料和二氧化鈦（TiO2：titanium dioxide）納米粒子，從而取代原本昂貴的半導體和稀土元素的材料，比如新加坡科技研究署（A*STAR）材料研究與工程所采用的碳納米管。美國加州大學洛杉磯分校（University of California， Los Angeles）的研究人員開發(fā)塑料材質(zhì)聚合物太陽能電池，可以把10.6%的太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能。這種太陽能電池柔韌且輕便，但它們的性能目前還落后于常規(guī)硅電池。一些自然元素甚至也可能改變太陽能電池的未來，比如草屑光合技術。有朝一日，只需使用你院子里剪草碎屑，混進一種廉價的化學溶液，把產(chǎn)生的混合物刷到屋頂上就能擁有太陽能屋頂。麻省理工學院（MIT）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，制備太陽能電池板，可以采用當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)廢料，不需要使用硅，制作這種隨處混合的太陽能，廉價而且豐富，幾乎任何地方都可以。不過這種技術目前的光轉(zhuǎn)化率還很低。

除了材質(zhì)之外，科學家們研究的重點是通過設計增加效能。傳統(tǒng)的太陽能電池最多把34%的可用陽光轉(zhuǎn)換成電力，劍橋大學物理系卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）開發(fā)出一種新型太陽能電池，可吸收紅光，也可以利用額外的藍光能量，以增大電流。該實驗室演示了一種有機/無機混合的光伏設備架構，其結(jié)果表明這種方法可以超過功率轉(zhuǎn)換效率的極限。還有一種增加效能的技術是光化學變頻技術。澳大利亞太陽能研究所（Australian Solar Institute）、悉尼大學化學學院和亥姆霍茲材料與能源中心（Helmholtz Centre for Materials and Energy），開發(fā)出一種“太陽能電池渦輪增壓器”（turbo for solar cells），稱為光化學變頻（photochemical upconversion），可以把通常丟失在太陽能電池中的能量轉(zhuǎn)變成電力。

而科學家們也在想辦法通過改變太陽能電池的形狀從而實現(xiàn)效能提升。日本六朋電子公司（Kyosemi）開發(fā)出一種革命性的球狀微型太陽能電池，可捕獲各個角度的陽光。這種電池稱為斯斐拉（Sphelar）是球形的。雖然傳統(tǒng)的平板太陽能電池很容易設計和生產(chǎn)，但是平板太陽能電池的效率依賴于相對于太陽的位置，因此需要動力改變面向太陽的角度。斯斐拉電池的設計和幾何形狀意味著，可以利用反射光和間接光源，能量轉(zhuǎn)換效率接近20%，這一目標遠遠超出了大多數(shù)平板光伏技術。它的設計也使斯斐拉電池可用于各種尺度，包括移動電子設備。普林斯頓大學（Princeton University）的科學家模仿不起眼的葉子，在光伏材料表面制成微觀褶皺，顯著提高了輸出功率和耐用性。這種褶皺設計可以使發(fā)電量增加了47%。加州大學伯克利分校（University of California， Berkeley）的研究人員設計并演示了一種反直覺的概念：太陽能電池的設計更像發(fā)光二極管，可以發(fā)光也可以吸收。這項設計可以在未來幾年，取得接近30%的效率。太陽能光伏電池通常都是平放在屋頂或其他表面上，有時連接到機動的支架上，使電池總是朝向太陽，因為太陽會穿過天空。麻省理工學院（MIT）的一組研究人員想出了不同尋常的方法：就是制成立方體或塔型，可向上延伸的太陽能電池，形成三維結(jié)構。令人驚訝的是，他們測試這些結(jié)構，結(jié)果表明，輸出功率可提高1倍到20倍以上，這是對比同等面積的固定平放電池板而言。

未來篇

各種科幻影視或多或少地描繪了未來電池的形狀，比如扭轉(zhuǎn)式電池。韓國電池制造商樂金化學公司（LG Chem）正在開發(fā)一種“電線狀電池”：這種電池可放進耳機中為你的手機充電，或編進首飾及紡織衣物中，為可穿戴的電子產(chǎn)品供電。這種鋰離子電池可在打結(jié)或呈其他扭曲形狀的情況下繼續(xù)供電。擁有這一新奇設計的電池容量不大，但公司的研究人員正試圖研發(fā)出更加高能量的配方。據(jù)研究人員樂觀地估計，這一鋰離子線狀電池有望在5年內(nèi)投入大規(guī)模生產(chǎn)。改變電池扁平狀態(tài)的關鍵是研究人員發(fā)明了如彈簧般的螺旋狀電極設計，并采用了普通鋰離子電池中常見的無機材料。這種結(jié)構允許電池承受任何外部的機械變形，同時保持其結(jié)構上的完整性，而在三維空間中，也可使電池更靈活。

當然還有厚度只有0.3 mm的超薄電池。NEC公司一直在研究“有機自由基電池”（ORB：organic radical battery）的技術，目前他們宣布自己研發(fā)出0.3mm厚的有機自由基電池。據(jù)測試，這種新電池輸出功率為5千瓦/升，容量為3mAh。充滿電時，這種新電池原型可以刷新屏幕2000次。一次充電只需大約30秒。新電池充電500次后，可保持75%的充放電容量。這種電池可以被用于信用卡、地鐵和火車通行證或酒店門鑰匙中。例如，消費者不需要使用自動柜員機，就可以使用卡上的小屏幕查看他們的銀行存款余額。NEC打算在2013年把有機自由基電池集成到各種產(chǎn)品中。除用于信用卡之外，超薄電池還可用于純平顯示器和紙質(zhì)一般的柔性電子閱讀器。這種有機自由基電池還有另一種終端應用，就是直接用在服裝上，比如在袖子上。

更重要的是還要能夠便攜。對于“多終端”時代的人類來說，出門總要帶著一堆充電器實在是一件“非常不酷”的事情?，F(xiàn)在，解決這個問題的電池終于來啦！麻省理工學院附屬公司微型系統(tǒng)公司（LSI：Lilliputian Systems Inc）開發(fā)的設備尺寸大約相當于厚一點的智能手機，可以給iPhone 4充電10到14次，只要有USB接口就可以給任何設備充電。

新元素電池

除此之外，科學家們正在搜尋整個元素周期表，尋找新的元素組合，使傳導和存儲電子能夠有更聰明的、像鋰離子電池那么優(yōu)質(zhì)的電池。這些新電池技術包括亞胺化鋰電池。這種電池技術可以使筆記本電腦或手機電池充電周期數(shù)量翻番，從350個周期增加到800個以上，并能運行在140華氏度以上，不會出現(xiàn)膨脹。人們熟悉的電池膨脹問題，是因為電子設備在運行多個程序的時候電池發(fā)熱引起的。加拿大博士電池公司（Dr. Battery）零售商已開始銷售這種可充電電池，據(jù)說這種成分的測試原型電動汽車電池正在研制中。

鈉離子電池。這種技術使用一些簡單、無毒的材料，比如鹽水、棉花、木炭等制造并網(wǎng)存儲電池系統(tǒng)。這類儲能電池大小如同航運集裝箱一般，用于太陽能、風能和其他可再生能源等生產(chǎn)商。這類電池的研究來自卡內(nèi)基.梅隆大學（Carnegie Mellon University）工程學院。簡單廉價的概念可以擴大到偏遠地區(qū)的柴油發(fā)電機組，未來也可以支持家庭和企業(yè)供電。

2012年7月，通用電氣公司位于美國紐約斯克內(nèi)克塔迪（Schenectady）的、生產(chǎn)鈉鹽電池Durathon的工廠舉行了盛大的開工儀式，正式進入了商業(yè)化規(guī)模的量產(chǎn)。他們的第一位顧客是南非工程公司Megatron Federal，這批電池將被裝在尼日利亞的一些手機信號發(fā)射塔上。此前，阿奎昂能源公司（Aquion Energy）也在3月宣布該公司的電池已經(jīng)成功，首個工廠將在2013年投產(chǎn)。這家公司生產(chǎn)的鈉鹽電池的市場定位為電信行業(yè)提供備用電源，以及公共電力的電網(wǎng)級應用。

通信電源領域到目前為止都是閥控密封式鉛酸蓄電池的主要市場之一，市場占有率達到90%以上，主要用于通信基站和中心機房的后備電源，總的采購金額約占電信固定資產(chǎn)投資的2%～3%。這塊市場不僅已經(jīng)非常成熟，并且近幾年移動互聯(lián)網(wǎng)的興起讓通信行業(yè)再次迎來激增，這自然會帶動電池需求的快速增長。而新一代電池技術在能量功效、環(huán)境安全、循環(huán)壽命、體積等性能上都遠遠超過傳統(tǒng)的鉛酸電池。以通用電氣的鈉鹽電池Durathon為例，它以對環(huán)境友好的鹽和鎳為主要原材料，比會產(chǎn)生二次污染的鉛酸電池環(huán)保得多。鉛酸電池單位重量的能量密度很低，只有30瓦時/公斤，而鈉鹽電池為120瓦時/公斤，鋰電池大致是80～90瓦時/公斤。循環(huán)使用壽命是考量指標電池的重要指標之一，這也是為何鉛酸電池雖便宜，但到目前為止也無法用于電力并網(wǎng)的原因——頻繁地深度放電會損害它們的性能，在某些應用環(huán)境中，鉛酸電池可能僅維持6個月。而通用電氣官方數(shù)據(jù)表示Durathon電池至少可以深度放電3500次，每日充放電的情況下可以使用10年，循環(huán)使用壽命幾乎比鉛酸電池長了10倍。更重要的是，在-20℃至60℃的使用環(huán)境下，Durathon電池的性能都不受影響，光這一點就讓傳統(tǒng)鉛酸電池難以望其項背。

但鉛酸電池的優(yōu)勢在于其低廉的價格。目前，鋰離子電池的價格大致是600美元/千瓦時；Durathon電池到2015年可能會實現(xiàn)500美元/千瓦時的價格。但Durathon電池具有循環(huán)壽命更長、能量密度更高、不需要空調(diào)可以減少燃料等優(yōu)勢，從長遠來看，Durathon電池更具經(jīng)濟效益。且加之全球環(huán)保政策的日趨嚴格，鉛酸電池不具長遠發(fā)展的未來。隨著清潔能源、智能電網(wǎng)以及解決第三世界國家用電需求的興起，電力并網(wǎng)、離網(wǎng)電力、電網(wǎng)調(diào)峰等的應用要求越來越凸顯，這也會促動鈉離子電池的長久發(fā)展。

固態(tài)鋰離子電池。載重、行程和安全性是電動汽車備受關注的重要問題，一種技術思路是利用固態(tài)技術，不需要液體電解液用于鋰離子燃料電池，這可以使得電池具有更高的能量密度，也可能顯著降低系統(tǒng)的復雜性。通用汽車公司和科斯拉風險投資公司（Khosla Ventures）都支持這項技術的研究和開發(fā)工作。而日本豐田公司也發(fā)布了它自己的固態(tài)電池，具有600英里行程，準備在2015年前后推出。

鋰空氣電池。一位材料科學家說，鋰空氣電池具有“超越一切電池”的能量密度。鋰空氣電池不同于鋰離子電池，因為它們使用碳做正極，而不是使用金屬氧化物，碳的重量更輕，可以與周圍空氣中的氧氣反應，產(chǎn)生電流。雖然這種電池動力有望達到1000英里的行程，而不是僅是125英里的電動汽車，但是，鋰空氣電池也被證明是不穩(wěn)定的，最大的問題是鋰接觸潮濕空氣會起火。但是IBM的研究人員在加利福尼亞州和瑞士都報道，他們已經(jīng)解決了電池電化學的關鍵問題，找到了不同種類的電解質(zhì)溶液。IBM公司希望2013年拿出一塊原型鋰空氣電池。一些新創(chuàng)公司像伯克利（Berkeley）的聚加公司（PolyPlus），也在積極研究這項電池技術。

鎂離子電池。美國能源部高級研究計劃局能源署（ARPA-E：Advanced Research Projects Agency for Energy）資助高風險、高回報的技術，比如鎂離子電池（magnesium ion battery），開發(fā)者是佩里昂技術公司（Pellion Technologies），是麻省理工學院（MIT）的校辦企業(yè)。這家公司稱自己的電池能量密度兩倍于現(xiàn)有的鋰離子電池，可用于消費電子產(chǎn)品和電動汽車。另一方面，豐田公司研究人員在美國密歇根州（Michigan）宣布他們正在開發(fā)自己的鎂電池，用于電動汽車，單次充電行駛里程兩倍于目前的電池，但要到2020年才能用上它。