阿比蓋爾·貝爾：新的化學物質紛紛加入未來手機和電動汽車的電源行列，但鋰離子電池仍然還會存在一段時間。

不管是筆記本電腦還是手機，你每天總要用到好幾個鋰離子電池。自從上世紀90年代上市以來，這些可充電電池讓我們的電腦和電子設備變成可移動的，如今就連汽車都電動了。

但鋰離子電池并非十全十美。世界上的鋰供應量是有限的，公司和消費者對電池的安全性、壽命、容量的需求不斷提升，而且電動汽車和電網蓄能等新的電池用途也在迅速涌現。

為了滿足這些需求，新一代電池的開發將成為競爭焦點，但它們會是什么樣子、會比現在的電池有什么改進，都還是未知數。

能源日新月異

一個負極、一個正極和一些電解質就構成了最簡單的電池。帶負電荷的電子通過電解質從負極流向正極，就形成了電流。

負極通常使用鋰金屬氧化物制造，帶有這種負極的就被稱為鋰離子電池。鋰離子電池之所以最常用，是因為它們能量容納率最高，能夠放進像你的手機這么小的空間里。在充電和放電時，鋰離子電池的能量密度是傳統可充電電池的3倍。

大多數鋰離子電池由石墨正極和液態有機電解質構成。為了防止電池中正負極接觸發生短路，兩極之間以一小片薄薄的可滲透聚丙烯(一種塑料)加以阻隔。假如這一屏障裂開或蝕壞，正負電極就會接觸，電池會極速發熱。電池中還充滿了會在發熱時起火的可燃電解質，只要一次短路就能輕易將其激發。假如封堵被揭開，液態電解質還會泄漏。

改進電解質

為了解決上述問題，研究者們正在尋找固態電解質作為替代。

“目前的局限在于液態電解質，”德州大學奧斯汀分校的機械工程與材料科學教授約翰·班寧斯特·古迪納夫如是說。

他說，電解質限制了電池充電和放電的次數，以及電池的充電速度和能量儲存。

新一代電池還是鋰離子的，但會使用不同的電解質。比如，它們可能會用固態電解質代替液態的。

對電解質的要求是很高的。它必須能導電、耐高壓而且在長時間內保持電化學和熱學上的穩定性狀。這就是為何開發固態電解質如此困難的原因。

去年，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的研究者們開發出一種固態電解質，其效率可以與通常的液態電解質媲美。它在室溫下的導電率與液態電解質相當，而且在150攝氏度高溫之下仍能保持穩定。相比之下，液態電解質在如此高的溫度下就會出現安全風險。

2016年豐田公司的研究者發表一篇論文，闡述了一種可以在短短7分鐘內完成充電的固態鋰離子電池。

鋰硫電池是另一種很有前途的電池，使用的化學物質截然不同。從理論上說，這種電池的容量很大，且所用的硫儲量豐富。

成本更低、壽命更長

隨著電動汽車和電網蓄能等用途的涌現，電池需求的新增，近年來電池成本已經明顯下降。但為了讓電動汽車價格更合理、行駛里程更長，電池還必須進一步降低生產成本、延長使用壽命。

2014年，專注于可持續技術的英國莊信萬豐公司收購了常州的一家電池研究機構，為的就是提高汽車的電池效率。該公司表示，汽車所用電池的日歷壽命要很快與車輛的壽命看齊，可能達到10至15年。這意味著電池壽命將不再是顧客拒絕購買電動汽車的理由。目前，大多數制造商可以保證電池的壽命為8年左右，或者10萬英里。

美國阿爾貢國家實驗室能量存儲與材料科學聯合研究中心的程雷(音)說，鋰離子電池的最大缺點之一是容量會隨著時間而減小。“這是由充電、放電以及電池靜置時不必要的化學反應造成的。”這個問題在高溫下會更加嚴重。

此外，由于使用了鈷和鋰等金屬以及缺乏經濟的回收手段，鋰離子電池仍然相當昂貴。這是促使人們尋找替代化學物質的另一個原因。

大規格電池的最佳選擇是用無有序晶體結構的固態電解質代替液態電解質。古迪納夫說：“電解質是現成的，但開發使用它的電池則有待獲得許可協議。”

電網蓄能

除了電動汽車，電網蓄能也是一個大規格電池用途日益重要的領域。太陽能和風能是間歇性能源，其在特按時間的可再生電力發電量受天氣左右。電池則可以通過有效存儲能量幫助穩定電網。

程雷說：“在電網蓄能市場上，硫離子電池可以成為鋰離子電池的經濟替代品。”硫離子電池的工作方式與鋰離子相似，但所使用的硫的供應則要穩定得多。

華威大學的艾瑪·肯德里克博士也看好硫離子電池。她說：“這是鋰離子電池的低成本替代品，盡管還方興未艾，但該技術有可能進入工藝性和耐久性研究。”

程雷補充說：“液流電池也是一種很好的選擇，因為它們的儲能規模很容易擴大。液流電池包含了兩種化合物，中間被一層薄膜隔開。這兩種化合物可以穿過薄膜出現化學能，但也能回到原位給電池充電。”

除以上之外還有很多其他的選擇。今年二月，加州大學爾灣分校的科學家們造出了可以充電數百次的金納米線電池，這是其他電池所無法比擬的。該團隊希望有一天能夠制造出可以無限次充電的電池。

石墨烯未來也可能成為電池的組成部分。西班牙的Grabat公司說，他們的石墨烯電池單次充電可供電動汽車行駛500英里。相比之下，特斯拉3型充一次電只能跑215英里。

盡管沒人可以確切預言新一代電池會是什么樣子，但有很多人在努力解決這一問題。

從液流電池到硫離子電池的眾多新選擇都還在開發階段，鋰離子電池仍要用上相當一段時間。“未來五年仍然是鋰電子電池的天下。”劍橋大學的劉濤(音)博士如是說。

與此同時，科學家們也在努力探索鋰離子電池的回收方法。這會減少鋰礦開采的環境影響，而鋰礦開采也是一個成本高昂的工序。