手機又沒電了？科學家的這些研究或許會給你帶來希望

我的電池沒電了——誰有多餘的充電器？大多數擁有手機、筆記本，甚至是電動汽車的人都會對這種痛苦心生同情。當你最需要它的時候，手機屏幕變黑了，於是燃起了一種細微但卻持續不斷的惱怒之情。之後是對充電插口無止盡的追尋。當你意識到自己選擇了一個沒有充電插口的火車車廂時，你會有一種心如死灰的感覺。
在延長電池日益衰減的壽命上，你聽到了各種互相矛盾的建議。與此同時，你絕望地意識到，它總會在幾年內死去。上床前為手機充電已經成為夜間的例行動作。

“現有電池的問題是它們很糟糕，” 特斯拉的 CEO Elon Musk 在 5 月的 Powerwall——一種時髦的新電池——的發佈會上説。這個謎題的級別就像是暗物質，或者説，就像是你為何仍然買不到能同時烤好麪包兩面的烤箱一樣：為什麼電池很糟糕？

“這歸根到底是一個基本問題，”劍橋大學化學系教授 Clare Gray 説。他研究電池運作已有 20 年了。“你擁有一塊材料，而且只能同時讓一定數量的電子進出。不是説只要這些蠢蠢的科學家繼續研究下去，我們就可以無窮無盡地增加電池的電量。”

因此，電池並不糟糕；那是我們的期待太高了嗎？“你或許可以去問問 iPhone 用户，他們為什麼一天要吃三頓飯，” Grey 笑着説，“任何設備天生就很耗電。許多人每年充手機的次數是 365 次。這等於要求一種化學反應持續發生 1000 多次後還能保持完美。在我們的生活中，哪些東西來回運作 1000 次後不會衰減？”
在温哥華，加拿大公司 Cadex Electronics 的 CEO Isidor Buchmann 對此表示同意。電池的侷限在於其化學基礎。他的公司製造充電器、分析儀，並且運營着一家名為“電池大學”的網站。而公司對改善現有電池的興趣更加濃厚。

“每個人都想要發明所謂的‘超級電池’，但問題在於，電池一樣會衰老，就像我們一樣，” 他説，“即使運動員也會慢下來。因此，追蹤它工作時的表現很重要。人們只關注電池從出生到畢業的階段，忽視了從工作到退休的階段。” 明年，Buchmann 計劃全球旅行，“宣揚如何保護電池”。

與此同時，可攜帶電子設備正變得更輕、更便宜，而且每過幾年就性能翻倍。iPhone 6s 擁有 3D 觸控屏幕，超極本又薄又強勁。一款新的智能手錶的運算能力超過了登月的阿波羅太空船。但是，它們使用的鋰電池和Sony 1991 年開始銷售時並沒有太大改變。在充滿電的情況下，你的電動汽車仍然無法從倫敦到達愛丁堡（除非你有 5.5 萬英鎊的零花錢，可以買個 Tesla S）。


（Tesla S 電動汽車）

“電池衰退不在計劃中，但是，公司沒有動力去開發壽命數十年的電池，” Gizmodo 網站的科技專家 Eric Limer 説，“每晚充電已經是常規了，因此，除非你把電池續航延長為數天，否則沒有什麼意義。”

另外，越來越多的手機和筆記本採用了不可拆卸的電池。電池之死成了促使你升級的理由之一。” 正如 Joanna Stern 在華爾街日報上對 iPhone 6s 的評論上所説的：“人們對智能手機的第一要求是更長的電池壽命，iPhone 6S 沒有做到這一點。”

Limer 的 Nexus 5 已經用了兩年時間了，每六個小時就要充電，不過其它方面都“表現非凡”。他相信，解決方案在於更好的電池維護。“有兩件事情，” 他建議説，“首先，鋰電池從滿電一直用到虧電並不合適，因此，應該經常充電，每次充一點：理想的電量狀態在 30%—80% 之間。其次，不要讓你的筆記本發熱：當它做高強度的工作時，把它放在支架上。”

如今，鋰電池存在於手機、汽車、數碼相機、電子煙、電動工具、 輪船和太空飛船、好奇號火星探測車上。它驅動着現代世界中許多我們賴以生存的東西。但它們的運作方式仍然與 200 年前首次出現的電池一樣：基本上，它們包括了兩類金屬，中間是某種溶液。對於 1799 年的亞歷山德羅·伏打來説，那是鋅和銀，用浸入鹽水的布分開：這是世界上首個獲得廣泛應用的電池。
如今，電池的一端是鋰，另一端通常是碳，中間是鋰離子來回穿越的電解質溶液。鋰的問題在於，它是易燃的。正如一位科學家告訴我，或者 YouTube 上錘子擊打三星 S5 致其爆炸的視頻所展示的：“鋰離子電池是非常可怕的。” 這是它們在過去 25 年內只改進了 ½ 或者 ⅓ 的部分理由。

雖然如此，創造超級電池的競賽仍在繼續。能量儲存市場正要起飛，而且在全球的實驗室都有研究，由政府、科技巨頭和汽車製造商投資贊助。科學家和工程師們正在努力製造儲存更多能量、壽命更長、體積更小、價格更低、更有利於環境保護的電池。通常，這是祕密進行的。

一些人則走向另一條道路，試圖找出耗能更少的技術，或者極為快速的超級充電站。換句話説，電池或許只能續航六小時，但是可以在兩分鐘內充滿。

其他人則完全拋棄了我們現在所了解的電池。倫敦皇家學院的複合材料工程師 Emile Grennhalgh 博士正在開發一種可以儲存能量的結構材料。他的研究由歐盟和國防部資助。

“在我們的概念中，你不再需要 iPhone 電池了，” 他解釋説，“能量可以儲存在外殼裏。” 這聽起來不如“人們正在製造的奇特電池和超級電容器”那麼好聽，他補充説，但是，從另一方面説，“你能用我們的材料製作飛機的機翼，普通電池無法做到這一點。”
他的研究成果什麼時候才能推向市場？“沃爾沃在行李箱蓋上使用了它，效果很不錯，” 他説，“在我看來，它會在今後五年內進入小眾產品領域。我們的研究引起空客這樣的公司的興趣，因為，它們想要在 2050 年前造出純電動的飛機。”


（一架漢莎航空的空客飛機）

在特隆赫姆的挪威科技大學裏，材料科學家 Fride Vullum-Bruer 正在研究一種替代碳的材料，可以將電池的性能提升 30% 以上。她的項目被稱作“來自海洋的電池”，因為，她的團隊在製造電池的過程種使用了褐藻。我天真地問她，材料的名字是什麼。“我不能告訴你，”她説，“我們正在申請專利。”
Vullum-Bruer，以及與我交談的每一個人都相信，未來的市場不會只有“一種魔力電池”，而是許多種不同的電池。“我認為，在很長一段時間裏，鋰電池會繼續統治市場，”她説。

“但是，在 10 年內，我們會看到其它電池的出現。在一些領域，比如汽車領域，鈉離子和鎂離子電池或許會部分替代鋰離子電池。近些年來，炒的最火的一種材料是硅，因為在地球存量最充足的元素中，它排在了第二位。它的耐久度是傳統材料的 10 倍，但是，目前你只能給它充幾次電。我聽到一些關於此類電池電路的謠言，在製造新電池的時候，特斯拉正在測試這種硅材料。”

哦，特斯拉。每個人想起了那家站在電池革命前線大膽的電動汽車公司。在我們的交談後，Buchmann 寫來郵件説，“要真正讓電池行業快速發展，需要找到電動汽車能使用的超級電池。” 在馬斯克説電池“糟糕”的那天，他宣佈成立特斯拉能源，一個柵極電池公司。幾個月後，它的 Powerwall 家用電池訂單已經達到了 10 萬，價值 10 億美元。


（特斯拉電池公司）

電池的生產地是特斯拉在內華達沙漠中的超級大型工廠，投資 50 億美元。該工廠會在明年開工，成為全球最大的電池製造廠。特斯拉在網站上極為自信的宣稱，到了 2020 年，它每年生產的鋰電池數量將會超過 2013 年的全球鋰電池生產量。

當能源儲存革命中的其他人制造更小、更強大的電池，或者嘗試新元素的時候，特斯拉只是在製造更多的電池。“我敢説，Elon 構建了一個非常好的商業模式，” Grey 説，“他把平淡無奇的電池拿來，連上線，塞到特斯拉電動汽車上。”

我們這些人怎麼辦呢？我們能否期待，不久的將來自己的設備能堅持一天時間？“只要我們的電池是基於化學反應的，我們就會遇到很大的限制，”Buchmann 説，“電池的健康幾乎就像是活體器官的健康或者人類的健康。我們必須關心它。”

而 Limer 則表示，“我認為，10 年內，情況不會有很大的變化。一個比較現實的期待是，即使在極端的重度使用下，你的電池也能堅持一天的時間。” 他接着説，如今，我們面臨的是“電池僵局”。
Grey 更為樂觀。“電池在改進，新材料也在到來，” 她説，“ 電子設備的耗能也會下降，但事實是，整個社會仍然需要更多的能量。在今後的 25 年裏，我們想把一切東西都連接起來。” 儘管電池不能拯救世界，但是，Grey 相信它們能夠發揮自己的作用。

“ 網格能量存儲是社會面臨的重大挑戰之一，” 她説，“當社會持續發展，必須處理氣候變化問題，而電池在此會發揮重要的作用。目前，明確的方案是不存在的，而且，在今後的一些年裏，情況也不會有改觀。但是，變化總會發生的。2050 年的電池是什麼樣子，誰也説不準，但是，它肯定會很吸引大家的眼球的。”

引用本文全文譯自 Guardian，原文標題 Why your phone battery is rubbish，作者 Chitra Ramaswamy。本文詳細介紹了當前科技界和商業公司對電池的研究和利用。愛範兒積木、黃美菁翻譯出品。

題圖、插圖來自：Guardian


資料來源：愛範兒（ifanr）
作者/編輯：黃 美菁