我們正在展望一個廣泛利用清潔能源的新時代。作為這個時代的標志性場景之一，人們希望看到滿街跑著的都是類似特斯拉電動車這樣的新型轎車，它不再需要汽油，而是用蓄滿了電的鋰電池驅動。到那時候，遍布道路兩旁的加油站也將會被充電站所取代。最新的消息是，上海市已經宣布對特斯拉電動車實行免牌照上牌政策，并支持他們更快地在中國建設超級充電站。

然而，當你意識到電動車使用的電池和你手機里裝著的電池并無本質區別，令人歡欣鼓舞的光明遠景可能就要蓋上一朵烏云了。手機黨經常苦惱的就是電池的續航能力。許多人的手機早上充滿，下午見底，一天必須充一次。筆記本電腦同樣有這個問題，幾個小時就可能電量告罄。電動車沒開多遠就“趴窩”，需要頻繁充電，這是它的實用性備受質疑的焦點。特斯拉唯一投放市場的ModelS型電動車，最高配置的車型宣稱一次充滿電后可以行駛480公里，已經是很了不起的成績了。

為什么電池“不耐用”？在一定的空間里，物質所能儲存能量的大小被稱作“能量密度”。從能量密度的排位來看，電池幾乎墊底。以每千克產生的能量作為指標，我們日常使用的汽油能達到50兆焦耳，而鋰電池的平均水平還不到1兆焦耳。其他類型的電池同樣在極低的水準徘徊。顯然，我們不可能把電池的體積做得無限大；為了提升電池的容量，只能著眼于提高電池的能量密度，但是困難重重。這項技術到底難在哪里？記者就此采訪了浙江大學化學系副教授劉潤，以我們常用的鋰離子電池（簡稱鋰電池）為例，解剖電池內部構造的秘密。

電解液很重要

電池之所以能夠提供能量，是因為發生了電子的轉移。在電池接到一個電路里，合上開關，電流就通了。這時，電子就會從負極跑出來，經過電路流到正極。在這個過程中，電子會做功，來支撐你的手機運轉，或者驅動特斯拉電動車。

鋰電池的電子是由鋰提供的。那么，在電池里裝滿了鋰，能量密度不就上去了嗎？可惜的是，為了讓鋰離子電池具備可充電的功能，它的內部構造必須以犧牲能量密度為代價。劉潤指出，鋰電池的內部構造包括電解液、負極材料、正極材料和隔膜等，每一樣都有其專門的工藝需求，發揮獨特的功能，不可或缺。這種構造限制了鋰電池能量密度的提升。

首先，是電解液，它是電池里不可缺少的運輸管道。“電池放電的時候，鋰原子失去電子，變成了鋰離子，這時它要從電池的一極跑到另一極去，到了充電的時候再跑回來。”劉潤說。鋰離子在電池兩極的來去構成了鋰電池循環使用的關鍵，而電解液保證了它的旅途自由通暢。電解液就像河水，鋰離子就像魚。如果河床干了，魚到不了對岸，鋰電池就無法正常工作。

電解液的奇妙之處還在于，它只會運載鋰離子，而不會運載電子，這就確保了電池只有在電路連通的時候才會放電。同時，依賴電解質，鋰離子的運動有序而明確，使電子總是沿著一個方向移動，這樣才形成了電流。

正負極求穩定

電解液雖然不提供任何能量，并且占的分量還不小，但是鋰電池里絕少不了它。那么，以石墨為主的負極材料為什么也不能少呢？石墨就是做鉛筆芯的材料，也不負責提供電子。劉潤說，這是為了保證充電的時候不出問題。

充電時，鋰離子從正極跳入電解液，游回負極，在那里得到電子變成鋰原子聚集起來，準備下一次放電。但是，鋰本身是電子的良好導體，后來的鋰離子可能還沒到達負極，就從已經變身為鋰原子的前輩那里得到了電子。這樣，鋰原子就可能像雜草一樣在電池里面瘋長，并出現晶體。這個過程就叫做“析晶”。野蠻生長的鋰晶體最終會刺穿隔膜，使電池短路報廢。

為了解決這個麻煩，科學家用石墨制成負極材料，利用其表面的空隙，就像一個個小房間，讓鋰原子安穩地待在里面，彼此不發生作用。這樣一來，鋰原子安分了，但是電池的能量密度就又下降了。

類似的道理也適用于電池的正極，為了維持電池的穩定有序，正極材料也經過特殊設計，充電的時候不是所有的鋰離子都會游回負極，大約有近一半的鋰離子會留下來，這也削弱了電池的能量密度。

大容量存挑戰

客觀地看，鋰電池體積小、分量輕、壽命長、成本低，又安全、又環保，較短的充電時間就能換來較長的使用時間……已經是人類目前找到的極為優質的電池。但是，科學家總是精益求精。劉潤說，改良的關鍵，是尋找更優質的正極和負極材料，來提升電池的能量密度。

負極材料可能的替代品有鋰硅合金等，其能量密度比石墨高近十倍。找到更穩定的正極材料則顯得更加重要。現在人們主要用的是鈷酸鋰，這種材料很昂貴，而穩定性和能量密度則不盡如人意。科學家正在研究是否有可能用鐵基或錳基的氧化物來代替它。

在可預見的未來，我們有可能獲得更大容量的電池嗎？科學家還是圍繞鋰來下功夫。因為鋰參與反應的電子比例高，金屬鋰自身的能量密度大。鋰硫電池和鋰空氣電池都存在理論上的可能性，它們是電池，卻可以提供像汽油燃料一樣豐沛的能量。不過，實際的開發推廣仍然面對諸多挑戰。

看來，對電動車感興趣的你，還是需要暫時接受跑上一陣子就要充電的現實。紐約的科學家最近有一項新發明，把太陽能充電板做成窨井蓋的模樣，讓電動車隨時可以停在路面上充電。對于特斯拉來說，這可是個好消息，不是嗎。