技術發(fā)展到今天，我們對更好的電池的需求也越來越大。因為雖然設備的計算能力和設備的使用領域都在不斷擴大，但是電池的供電能力卻幾乎沒發(fā)生值得關注的變化。近段時間以來，新聞媒體都在樂此不疲地報告各種新型的電池技術突破，但是這些新技術中的大部分都很難實現(xiàn)商業(yè)化;就像人們不斷重復地那樣：在實驗室中是一回事，找到批量化生產(chǎn)的具有成本的效益的生產(chǎn)方法又是另一回事。
但是電池的發(fā)展競賽還在繼續(xù)：電動汽車制造商正在尋找更便宜、更輕、更強大而且更持久的電池。電子設備制造商也在尋找更可靠、使用壽命更長而且充電更快的電池。而可穿戴和醫(yī)療植入式設備的廠商則更傾向于更小巧、更長續(xù)航的電池技術。而可再生能源企業(yè)也在尋找能夠穩(wěn)定充放電成千上萬次的電池技術。
在我們時常聽到的新電池技術中間，我們選出了三個最具有實用前景的電池技術。我們對這些技術離實際應用的時間和未來可能產(chǎn)生的影響進行了分析。
固態(tài)電池
讓我們先從一個能夠避免鋰離子電池的危險性的新興技術開始說起吧。這項技術被稱為固態(tài)電池技術，它有許多種形式，為了理解為什么這種電池為什么更加安全，我們可以先來看看為什么鋰電池會有自燃的風險。
大部分傳統(tǒng)的鋰電池都有兩個電極(陽極和陰極)，陰極和陽極之間是用來傳導鋰離子的液體電解質。而鋰電池的主要問題就是這種電解質是非常易燃的，如果鋰電池破損或者受到了重擊，電池就可能起火，就可能出現(xiàn)下面的情況：
而固態(tài)電池中并沒有液體電解質，它們使用的是一層其它材料來在兩個電極之間傳導離子和產(chǎn)生能量。
安全性只是固態(tài)電池技術的一個方面而已。因為固態(tài)電池中沒有了液態(tài)電解質，所以他們不需要額外的防護層，所以它們可以做到更輕更小。這對于汽車制造商來說是個十足的好消息。美國能源部高級先進能源研究計劃局(ARPA-E)有多個固態(tài)電池開發(fā)項目，有的是開發(fā)固態(tài)的鋰離子電池，有的則是開發(fā)其他材料的固態(tài)電池。
在固態(tài)電池研究領域的領頭羊是Sakti3公司，該公司的CEO是AnnMarieSastry。《麻省理工學院技術評論》的KevinBullis在一篇文章中對Sakti3和Sastry所做的工作進行了描述，該公司目前關注的重點是如何實現(xiàn)固態(tài)鋰電池的規(guī)?；a(chǎn)。文章寫道：
“她也在開發(fā)有助于大規(guī)模生產(chǎn)的制造技術。‘如果你的總體目標是改變人們的駕駛方式，你的標準就不能僅僅是最好的能量密度和更多的循環(huán)充電次數(shù)。’她說，‘最主要的目標是在提供必要性能基礎上的耐受能力’。”
Sakti3的工作聽起來很令人興奮，但這家公司一直都對其技術秘而不宣，所以目前對該電池中使用的電解質材料類型我們還不得而知，而當然這些材料的類型將會在大規(guī)模的生產(chǎn)制造中對成本產(chǎn)生巨大的影響。但我們知道Sakti3已經(jīng)得到了包括通用公司在內的風險投資，并且該公司早在去年就宣稱已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)在鋰離子電池兩倍的能量密度。另一家固態(tài)電池公司QuantumScape則相對而言安靜得多，但有傳言說該公司也在進行類似的技術研發(fā)工作。
那么，我們還要多久才能真正使用固態(tài)電池呢?就目前而言，實現(xiàn)固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化還為時尚早。電池技術的挑戰(zhàn)不只是電池中所應用的電化學原理，真正需要突破的地方是實現(xiàn)工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，并且還要實現(xiàn)比傳統(tǒng)電池更劃算的價格。
SteveLeVine在其新書ThePowerhouse中對電池創(chuàng)新的商業(yè)化過程進行了深度挖掘。他用了數(shù)年時間對Envia公司進行跟蹤調查，這家公司是一家電池領域的創(chuàng)業(yè)公司，并最終成為了通用的陰極供應商。然而最后交貨時，通用經(jīng)過檢驗發(fā)現(xiàn)。Envia交付的電池達不到自己所宣稱的標準。最終通用結束了Envia的合同。
正如LeVine所解釋的那樣，目前電池技術中最令人振奮的并不是電池，而是制造工藝。“讓我振奮的是看到能夠突破制造成本限制的新電池技術出現(xiàn)。”他說，并指出美國能源部現(xiàn)在也在專注于生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新而不僅僅是電化學原理的革新，“我認為那才是值得期待的地方。”
特斯拉建造中的超級工廠Gigafactory
甚至伊隆·馬斯克也在試圖解決這一問題。他的正在建設之中的Gigafactory試圖將整個電池制造流程納入到同一個工廠之中，這是一個巨大的賭注，不過看起來特斯拉相信自己能夠擊敗競爭對手。請記住，這是為了并沒有那么突破性的電池技術。但這是關于規(guī)模經(jīng)濟的游戲——甚至馬斯克也承受著工廠還沒建好可能技術就已經(jīng)過時了的批評。
鋁空氣電池
盡管鋰是電池材料之王，但是也有人在做其它嘗試。因為事實上鋰的開采相對較為困難，而且在電子釋放性能上還有一些材料的表現(xiàn)更好。
一個名為Phinergy的以色列公司和其它競爭者則在最近幾年里正在研究一種完全不需要的鋰的電池技術：鋁空氣電池。理論上而言，這種電池可以在幾分鐘內充好電。在這種新型的電池中，其中的一個電極是鋁板，而另一個電極則是氧氣。準確地說是氧和水電解質。當氧與鋁板發(fā)生交互作用時，就會產(chǎn)生能量。
鋁空氣電池已經(jīng)出現(xiàn)了很長一段時間了，但近些時間來人們對這項技術的興趣正變得越來越大。在2002年，一篇發(fā)表在JournalofPowerSources雜志上文章將這項技術放到了聚光燈下面，那時一組研究人員認為鋁空氣電池是唯一可以代替汽油的選擇。理論上來講，這種電池的容量可以達到鋰離子電池的40倍，而Phinergy則聲稱他們可以利用這項技術將電動汽車的行駛距離提升到1000英里(約1600千米)。
那么，我們還要多久才能用上這種電池呢?這種形式的能量產(chǎn)生模式有一個固有的缺陷。當鋁和氧氣發(fā)生反應產(chǎn)生能量時，可用的鋁含量會隨著放電而減少。另外，這種電池只有一個電流方向：從陽極到陰極。這就意味著這種電池是不能充電的，所以當電池的電用光之后，必須取下來回收更換新的電池。
這極大地限制了鋁空氣電池的大規(guī)模應用推廣。但是對于電動汽車來說，如果服務站的基礎設施配置好了，那么這項技術倒是一個非常不錯的選擇。密歇根大學電池實驗室的GregLess說：“但在那之前，可充電電池，如鋰離子電池才是最佳的選擇。”對于小型電子設備而言，鋁空氣電池顯然是不可取的，因為這就意味著我們需要經(jīng)常更換電池。
關于鋁空氣電池的研究還在繼續(xù)，有好幾家公司都宣稱自己將在未來幾年內推出商業(yè)可用的鋁空氣電池。最近一家名為FujiPigment的公司聲稱自己已經(jīng)在鋁空氣電池上取得了突破性的進展。該公司稱找到了使用絕緣材料保護鋁材料的方法，所以可以鋁空氣電池的再充電。
即使這一波鋁空氣電池的浪潮最后失敗了，但研究人員也已經(jīng)將鋁看作是未來電池的基本材料之一?，F(xiàn)在這是一個十分熱門的領域，就在我寫這篇文章的時候，斯坦福大學的一個實驗室就宣布成功利用鋁和石墨烯以及一種安全的液體電解質開發(fā)出了一種新電池。該研究小組稱這種電池可以在1分鐘內完全充好電，并且在被鉆破的情況下還能繼續(xù)保持工作。當然，這種電池還有很多工作要做。
微型電池
傳統(tǒng)電池的另一個問題是它們的尺寸。盡管我們的設備上的每一個部件都在變小，但是電池卻依然還是那么大。比如說，最新款的蘋果筆記本電腦的厚度基本上都是電池撐起來的，盡管在設計上采用超高效的分層結構，但電池仍然占據(jù)了大量的空間。
這個問題不僅出現(xiàn)在筆記本上面。醫(yī)療植入式設備也需要能夠植入到人體內的小型電池?？臻g應用設備對重量也有嚴格的要求，就是越輕越好。另外隨著可穿戴設備的帶來，對電池的敏感度也越來越高。
越來越多的研究開始集中到所謂的3D微電池上面。那么2D和3D有什么不同呢?你可以將2D看作是一個簡單的平面，上面有兩個電極，中間是電解質。他們可以做到非常薄，但是電池的功率也相對更低。
相比之下，3D則是在微觀層面上增加電極的層數(shù)來增加電極的表面積。表面積增加后，離子從一個電極移動到另一個電極也更加容易，這就增加了電池的功率密度，提高了電池充放電的速率。
科學家們正在探索如果實現(xiàn)這項技術的實用化。在2013年，哈佛大學的一個團隊使用3D打印技術和鋰原料制造出了精度極高的陰極和陽極。
而不久前，一個來自美國伊利諾伊大學的團隊發(fā)表了一篇論文，其中提到了一種利用全息光刻技術制造3D電池的方法。在這項技術中，超精確的光束被用來產(chǎn)生3D結構，即電極。全息光刻出現(xiàn)的時間比3D打印更早，所以更有機會實現(xiàn)這項技術的大規(guī)模制造。
但是，就像是所有的電池技術一樣，在電池的功率密度和尺寸之間還有權衡。一項技術能難同時滿足這兩項要求，但這是研究人員正在努力試圖辦到的事情。如果他們的技術成功地實現(xiàn)了商業(yè)化，那么必然會產(chǎn)生巨大的影響。
伊利諾伊大學大學的這個團隊的領導人WilliamKing教授告訴我們，目前這項技術面臨的最大困難是如何實現(xiàn)商業(yè)化。“我們正在努力將這種電池的能量密度提升三倍以上，我們將使用新的、能量密度更高的材料。”他說，“關鍵的挑戰(zhàn)還是在規(guī)?；a(chǎn)上，但我們一直都在努力。”
電池的內部到底在發(fā)生著什么?
為什么我們實驗成功的技術卻很難實現(xiàn)規(guī)模化應用呢?很大程度上是因為我們其實并不清楚電池內部發(fā)生了什么。聽起來似乎很簡單，但這卻是一個巨大的挑戰(zhàn)，甚至是電池創(chuàng)新的最主要的障礙：我們并不能看到電池中分子層面上發(fā)生的事情。所以很多電池技術的開發(fā)實現(xiàn)聽起來就像是一場意外。而當他們的發(fā)明者試圖使用可控的方法重現(xiàn)相同的效果時，卻遇到了麻煩。
為此我們采訪了一位專注于研究電池內部現(xiàn)象的科學家MichaelToney，他現(xiàn)在在SLAC國家加速器實驗室工作，在領導一個團隊試圖揭開電池內部工作細節(jié)的秘密，從而開發(fā)出大規(guī)模制造的工藝方法。
Toney和他的同事使用光譜成像和納米級的X射線來觀察電池內部發(fā)生的一切。Toney說該團隊的終極目標是在原子尺度上觀察充放電過程。但到目前為止，該團隊還只能通過化學過程觀察結果。
最后Toney說他們可能會開發(fā)一款軟件來幫助人們了解自己的電池到底是如何工作的，而不只是像現(xiàn)在的電量的測試軟件一樣只靠估計。
目前正在實驗室中開發(fā)的電池技術并不只有這么三種，從生物電池到形變電池，實驗室的科學家們正在嘗試各種各樣的新方法。最后到底哪些技術能夠獲得成功，現(xiàn)在還沒有人能夠做出確定的預言。但希望這些技術能夠盡早實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，助力人類文明達到全新的高度。