在各種電子設(shè)備快速發(fā)展的同時(shí),電池技術(shù)的發(fā)展卻完全跟不上步伐。智能手機(jī)的電池能夠支撐一天已經(jīng)是難能可貴的了,移動(dòng)電腦需要花費(fèi)續(xù)航時(shí)間的一半時(shí)間來充電,而被視為節(jié)能環(huán)保先鋒的電動(dòng)車,大部分時(shí)間需要待在車庫充電。按照摩爾定律,電腦設(shè)備的性能每兩年翻一翻,然而,電池的性能每年提升只有約7%左右??吹竭@一數(shù)字,大家或許會(huì)疑惑不解,很明顯,新的智能手機(jī)續(xù)航時(shí)間與此前的設(shè)備相比大有提升,那為什么只是7%呢?實(shí)際上,新一代移動(dòng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間的提升,完全依靠處理器性能和節(jié)能技術(shù)的提升,和電池技術(shù)的關(guān)系實(shí)在不大。
目前,憑借低重量和高能量密度的特點(diǎn),鋰離子電池主導(dǎo)市場,然而,現(xiàn)有電池技術(shù)已經(jīng)走入了死胡同。幸運(yùn)的是,新一代的鋰離子電池基本上已經(jīng)可以開始投入市場,它們存儲(chǔ)能量的材料同樣是鋰,但是能量密度可以提升10倍(詳見本文后面的介紹)。
更好的電池新材料
除此之外,研究人員也已經(jīng)開始對(duì)其他材料和其他類型的電池進(jìn)行研究,因?yàn)殇嚨哪芰棵芏葘?shí)在是差強(qiáng)人意,其他的解決方案更好并且更便宜。而大自然也為我們提供了高端電池的最佳藍(lán)圖,研究人員已經(jīng)開發(fā)了第一種有機(jī)的能源存儲(chǔ)系統(tǒng),不過,生物電池的真正應(yīng)用起碼會(huì)是10年以后的事情了(詳見題圖和本文后面的介紹),倒是通過振動(dòng)和摩擦力產(chǎn)生能量的技術(shù),可能會(huì)很快來到我們身邊(詳見本文后面的介紹)。
優(yōu)化手機(jī)電池
根據(jù)市場研究公司Gartner的統(tǒng)計(jì),今年售出的移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)超過20億個(gè),而這些設(shè)備中幾乎每一個(gè)都包含一個(gè)鋰離子電池。因?yàn)殇囯x子電池很輕,所以在過去的幾年鋰離子電池已經(jīng)成為了移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配備。然而,鋰離子電池的能量密度僅有150Wh/Kg~200Wh/Kg,只能達(dá)到理論上鋰所能實(shí)現(xiàn)能量密度的1/10。導(dǎo)致這一問題的主要原因是材料:鋰離子電池通過鋰離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充電或放電,在充電時(shí),帶正電的離子從陰極(電極中的正極)通過電解質(zhì)溶液移動(dòng)到陽極(電極中的負(fù)極),在那里鋰離子插入石墨層并吸收充電電流的電子。放電時(shí),鋰離子返回到陰極,釋放電子進(jìn)入電路,在陰極它們將與金屬(通常是鈷)和氧結(jié)合。鋰離子電池的存儲(chǔ)容量取決于多少鋰離子可以被置入石墨層之間,硅是可以更有效地在石墨中存儲(chǔ)鋰的材料。相比之下,6個(gè)碳原子才可以綁定1個(gè)鋰離子,而1個(gè)硅原子就可以捕獲4個(gè)鋰離子。
硅增加了功率密度
當(dāng)石墨層之間摻入硅時(shí)存儲(chǔ)密度將急劇增加,然而,當(dāng)它與鋰結(jié)合后將擴(kuò)大到約3~4倍,經(jīng)過幾個(gè)充電周期后將會(huì)對(duì)石墨層造成破壞。不過,由斯坦福大學(xué)的科學(xué)家建立的Amprius公司已經(jīng)解決了這個(gè)問題。依靠Google的埃里克·施密特和諾貝爾獎(jiǎng)得主史蒂芬楚(曾任美國能源部長)的支持,2013年Amprius研發(fā)的電池已經(jīng)開始在部分移動(dòng)設(shè)備上投入使用,Amprius通過3種方法來解決石墨問題,第一個(gè)是使用多孔硅,多孔硅就好像是一塊海綿,在與鋰結(jié)合時(shí)它幾乎不變大,自然也就不會(huì)有影響石墨層完整性的問題。使用多孔硅的Amprius電池可存儲(chǔ)的能量比普通的電池高50%,可以達(dá)到280Wh/Kg。
另一個(gè)方法是使用由硅制成的納米管,其存儲(chǔ)能力比多孔硅更強(qiáng)。使用納米管的原型充電容量比使用多孔硅的電池差不多翻了一倍,達(dá)到350Wh/Kg。不過,海綿狀的納米管必須覆蓋石墨,否則,硅將與電解質(zhì)溶液起反應(yīng),隨著時(shí)間的推移將分解。斯坦福大學(xué)的研究人員想出了第三種方法來解決這一問題:在碳外殼中插入硅顆粒,由于碳外殼中存在空間,因而,當(dāng)硅顆粒與鋰結(jié)合時(shí),并不會(huì)破壞外殼。采用這種技術(shù)的原型在1 000次充放電過程中容量只下降了3%,比以往所有的解決方案都好。
比鋰離子更強(qiáng)大的電池
電池的效能與化學(xué)物質(zhì)的能量密度直接相關(guān),鋰硫或金屬和空氣等許多材料的組合比現(xiàn)有的材料要好得多。鋰硫電池改進(jìn)了鋰離子電池的陰極,硫在陰極可以和硅一樣吸收更多的鋰,實(shí)現(xiàn)高達(dá)350Wh/Kg的能量密度。目前開發(fā)的鋰硫電池原型已經(jīng)超過了鋰離子電池的能量密度,并且它們還遠(yuǎn)沒有達(dá)到自己的極限。兩個(gè)問題影響了鋰硫電池的效能而使其無法達(dá)到理論上的能量密度:實(shí)踐中,如果在陽極上單純使用鋰是很困難的,因?yàn)樗鼤?huì)與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。而硫也是一樣,放電反應(yīng)的中間產(chǎn)物會(huì)大量溶解于電解質(zhì)中,大量的聚硫化鋰溶解并擴(kuò)散于電解質(zhì)中會(huì)導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的流失,從而降低電池的循環(huán)壽命,這樣的電池再好也只能夠持續(xù)幾個(gè)充電周期。
不過,德國弗勞恩霍夫的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了保護(hù)硫的方法,他們通過遮蓋碳涂層的方法,保護(hù)硫和陽極,所設(shè)計(jì)的原型目前可以持續(xù)2 000個(gè)充電周期。研究人員預(yù)計(jì),2020年,能量密度高達(dá)600Wh/Kg的鋰硫電池將可以投放市場,能量密度是目前鋰離子電池能量密度的3倍。由美國加利福尼亞伯克利大學(xué)開發(fā)的鋰硫電池也同樣達(dá)到了這一效能。伯克利大學(xué)的研究人員在陰極上,將碳化合物石墨烯和沉積的硫覆以CTAB(十六烷基三甲基溴化銨),當(dāng)鋰被同化后,硫擴(kuò)大75%,CTAB仍然可以保持不變。此外,研究者們還開發(fā)了不與鋰發(fā)生反應(yīng)的電解質(zhì),這種電池可以在能量密度高達(dá)500Wh/Kg的情況下支持1 500次的充電周期。
通過金屬和空氣儲(chǔ)存能量
目前,鋰離子電池必須是氣密的,否則鋰將與空氣中的氧產(chǎn)生反應(yīng)。而通過金屬和空氣儲(chǔ)存能量的金屬空氣電池能夠利用該反應(yīng):在放電過程中,陽極的金屬原子與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)放出電子,然后它們以離子的形式通過電解質(zhì)遷移到陰極。其能量密度可以高達(dá)1 100Wh/Kg,輕松超越鋰離子電池。鋅空氣電池已經(jīng)存在了幾十年,但在放電過程中的鋅會(huì)出現(xiàn)問題。為了防止這種情況的發(fā)生,在金屬空氣電池中,氧氣必須在充電過程中從陰極處逸出,使鋅再次形成金屬離子。此外,這將需要一個(gè)類似氫氧化鉀之類的特殊催化劑,保護(hù)鋅電極使其不會(huì)被不慎氧化。
普通的鋅空氣電池已經(jīng)具有媲美鋰離子電池的能量密度,目前,類似的電池已經(jīng)開始使用,例如在一些助聽器上。此外,也有公司正通過類似的技術(shù)開發(fā)高分子催化劑的可印刷電池,對(duì)于類似的小型設(shè)備,鋅空氣電池是非常適合的,因?yàn)樗浅l`活。但是由于鋅空氣電池需要恒定地進(jìn)行空氣交換,所以它并不是太適合移動(dòng)電腦。不過,它們卻非常適合應(yīng)用于電動(dòng)車,因?yàn)樗鼈儾话魏我兹嘉镔|(zhì)。而且鋅空氣電池存儲(chǔ)的能量幾十年也幾乎不怎么流失,因而,它們也適合應(yīng)用于智能電網(wǎng),美國EOS儲(chǔ)能公司已經(jīng)準(zhǔn)備在2014年推出此類存儲(chǔ)設(shè)備。
利用大自然的力量
目前市場上仍然只有固體材料制作的電池,不過,長期以來液體電池的研究從未間斷:兩種溶解的金屬鹽存儲(chǔ)于兩個(gè)相鄰的容器,它們通過水泵等方式運(yùn)動(dòng)并通過滲透膜進(jìn)行接觸,離子交換從而使電池放電,并可以通過直接更換金屬鹽溶解液的方式進(jìn)行充電。這種特殊的電池對(duì)于電動(dòng)車特別有意義,因?yàn)樗梢韵窦佑鸵粯拥乜焖偻瓿沙潆?。加油的過程就是置換金屬鹽溶解液的過程,換上新的金屬鹽溶解液,電池就充滿了電,而更換下來的液體可以重新進(jìn)行還原處理。在日內(nèi)瓦車展上亮相的電動(dòng)車Quant e使用的就是這種類似的電池,它配備兩個(gè)容量高達(dá)400L的電池倉,分別存儲(chǔ)兩種不同的電池液,它的重量達(dá)兩噸,但里程可以高達(dá)600Km。許多人估計(jì)Quant e可能永遠(yuǎn)不會(huì)量產(chǎn),因?yàn)橐后w電池的電池液通常含有昂貴并且有毒的物質(zhì),例如釩,另外它還缺少一個(gè)強(qiáng)大的滲透膜。
液體電池的問題目前只有在實(shí)驗(yàn)室里可以解決,在麻省理工學(xué)院,已經(jīng)研究出一種不需要膜的液體電池,電池的兩種液體在進(jìn)行離子交換的過程中不需要混合,正、負(fù)極之間不需要隔膜,所以也就不存在容易被反應(yīng)生成物氫溴酸腐蝕的問題,在這種情況下,釩液體電池的能量密度可以再次加倍。
生物電池勝過其他方案
有機(jī)材料非常適合作為能量載體,它們的價(jià)格合理,并且通常不具有毒性。來自哈佛大學(xué)的研究人員已成功開發(fā)出一種通過蒽醌-2,6-二磺酸鈉(Anthraquinone-2,6-Disulfonic Acid Disodium Salt,簡稱AQDS)存儲(chǔ)能量的液體電池,AQDS是一種從大黃中提取的天然產(chǎn)品。不過,電池并不完全是有機(jī)材料,它還需要溴,這種生物電池的能量密度高達(dá)6 000W/m2,比釩液體電池(800W/m2)還要強(qiáng)大。并且其成本明顯降低,釩的成本高達(dá)每千瓦時(shí)80歐元,而AQDS的成本只需27歐元。目前,還不清楚生物電池是否能夠支持?jǐn)?shù)千次充電周期,但它已經(jīng)成功地維持?jǐn)?shù)百個(gè)充電周期。
和大黃電池一樣,美國弗吉尼亞理工大學(xué)的糖空氣電池同樣強(qiáng)大,糖空氣電池達(dá)到目前鋰離子電池的10倍能量密度。麥芽糊精制成的陽極漂浮一系列不同的酶中,并依次分解釋放電子。雖然該研究的負(fù)責(zé)人預(yù)言,他們的糖電池很可能在3年內(nèi)被應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上,但是以往類似的生物電池預(yù)測已經(jīng)證明這通常是不切實(shí)際的。索尼在7年前也曾經(jīng)宣布了一項(xiàng)生物電池的應(yīng)用,但是至今沒有任何進(jìn)展。生物電池的歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們,生物電池需要很長的開發(fā)時(shí)間,很可能10年后我們也未必有能力將大自然的力量運(yùn)用于電池中。
沒有充電插座
未來,電力不僅是來自電池和插座,我們即使在曠野之中也能夠獲得電能供智能手機(jī)使用。美國和中國的材料研究人員研制出的微小發(fā)電機(jī),能夠?qū)⒆钗⑷醯恼駝?dòng)轉(zhuǎn)化為電能。該發(fā)電機(jī)可以通過一種PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電聚合物,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這種塑料通常用于密封涂層和過濾器,可以在揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)上使用。用于發(fā)電機(jī)的制造,PVDF化合物中將夾雜氧化鋅的顆粒,然后使用鹽酸將氧化鋅腐蝕掉。這將留下孔洞,成為一個(gè)柔性材料制成的海綿狀結(jié)構(gòu),可以極為靈敏地對(duì)所有類型的振動(dòng)做出反應(yīng)。
在制造過程中,得到的PVDF膜兩面可以加上薄銅箔作為電極,然后這種納米發(fā)電機(jī)可以被安裝在智能手機(jī)上,我們可以將其放在副駕駛座位上,然后駕駛汽車時(shí)就可以自動(dòng)為智能手機(jī)充電。目前,該發(fā)動(dòng)機(jī)的原型在40Hz的振動(dòng)下峰值可以達(dá)到11V和9.8μA。PVDF納米發(fā)電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,所用的材料都是廉價(jià)并且無毒的。理論上,PVDF納米發(fā)電機(jī)甚至可以植入人體內(nèi)作為動(dòng)力源。除此之外,納米發(fā)電機(jī)還可以作用于微型傳感器,成為一種從無線電波獲得能量的充電裝置。
從無線電波獲取能量
據(jù)專家預(yù)測,到2020年將有超過500億微型設(shè)備需要相互通信,它們需要能源,但對(duì)于安裝在路邊或者野外的傳感器來說如何充電是個(gè)問題。為此,美國華盛頓大學(xué)研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種基于無線電的通訊系統(tǒng),它能夠從傳送電視和移動(dòng)無線電信號(hào)中獲取能量。雖然獲取的能量很低,但是用于發(fā)送消息是足夠用的。在實(shí)際的測試中,該系統(tǒng)使用電視臺(tái)信號(hào)燈能量可以傳送多達(dá)每秒1 000位的數(shù)據(jù),輻射范圍從800m~11Km。
我們也可以將自己每一個(gè)身體運(yùn)動(dòng)的些許能量轉(zhuǎn)換成電能,自行車上通過腳踏產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)就是最好的例子。如果我們也可以利用這種能量來為智能手機(jī)充電,那就非常好了。為此,美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)電機(jī),可以通過摩擦產(chǎn)生電力。這個(gè)發(fā)電機(jī)有4個(gè)扁平的圓盤重疊在一起,其中3個(gè)被永久固定,看起來像層層疊放的蛋糕。電極安裝在圓盤的頂部,當(dāng)圓盤移動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子磨擦位于下方的鍍金片產(chǎn)生電壓。因此,該發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的交流電力,電壓高達(dá)1.5W。整個(gè)裝置體積非常小,直徑為100mm,體積600mm3,重量只有1.1g,適合放進(jìn)口袋里。未來,我們將可以隨身攜帶一個(gè)動(dòng)力源。