你知道為什麼新手機越來越無聊嗎？就因為這些「科幻」電池還沒投產

在生活中，電池是最重要的化學用品之一，也是人們目前最渴望改變的東西。由於電池質量的問題，導致的其膨脹變形、燃燒甚至爆炸，這種風險不但危害到人們的生命，還給人們帶來了極大的恐慌。
在安全問題之外，電池容量是目前需要迫切改變的重點之一，各種沒電也稱為了光明正大又正常的藉口，人們不得不借助各種各樣的備用電池、移動電源來解決燃眉之急。大電量、小體積的電池一直是人們追求的目標。

而人們對電池的要求還體現在充電速度上，如果可以在幾秒鐘給手機充滿電，這對於使用者來説必然也是一件非常幸福的事。

然而目前常見的鋰電池技術是在 20 世紀 70 年代發明的。鋰的密度很低，在重量上比其他材料具有較強的優勢，在研究人員將其改造成安全易用的電池後，Sony於 1991 年生產出了第一款鋰離子電池。早期的所有鋰離子電池使用的都是液體電解質，即電池有漏液風險。在 1994 年，商用聚合物電解質出現了，這種聚合物的出現讓電池的使用更加安全，同時也讓電池的形狀有了飛快的變化。到了 2009 年，第一款鋰聚合物電池終於出現在消費者的手中。
由於目前各行各業對電池嚴重的依賴，使得電池這種造價低廉的產品進步十分緩慢，新的技術從開始實施到生產出產品需要較長的時間週期。雖然現在的電池每年以百分之五的水平進行提高，現代的電池離安全好用還差得很遠，尋找鋰電池的替代方案才是正確的選擇。

有哪些電池能接過鋰電池的重擔呢？

鎂電池

目前很多人都對鎂基充電電池產生了興趣，從微觀上看，鎂比鋰多了一倍的最外層電子，鎂電池的能量密度理論上是鋰電池的兩倍，同時鎂電池的充放電過程也會更安全。在使用的時候，由於鋰電池在循環使用的時候會產生鋰枝晶結構，造成電池容量的下降，更嚴重的問題在於如果鋰枝晶持續生長，會刺穿電池中的薄膜，引發電池短路出現更嚴重的危險。而鎂電池不具有這樣的問題，同時即便是鎂暴漏在空氣中，也不會像鋰一樣與空氣進行反應。更安全。

目前對於鎂電池來説，沒有合適的電解質才是鎂電池面對的問題。除此之外，鎂電池低温電壓比鋰電池低很多，在目前的情況下，電壓改變才是比較嚴重的問題。
然而，在 2016 年初，豐田根據儲氫方面的研究，發表了一篇關於新型電解質的研究。雖然距離生產鎂電池還有一定的距離。但還是給鎂電池紮了一針強心劑。

石墨烯電池

石墨烯是單層原子厚的二維材料，在 2004 年曼徹斯特大學發現。這種材料有很多非常出色的特性。石墨烯的導電能力、強度和超薄的特點，使得人們用石墨烯來改善電極結構，並能提高現有的電池效率，穩定材料狀態，延長使用壽命。

最令人興奮的發現是石墨烯超級電容器。電容器本質上和電池是一樣的，都是存儲電量的器件。但是電容器充放電的速度要比常規的電池快得多，但是電容器的能量密度相比電池要小一些。電容還存在的問題是，一個充滿電的電容器，即便沒有使用，電量也會不停的下降，比電池放電快得多。

石墨烯超級電容器理論上的能量密度非常大。當然在充電速度上和電容是一樣的，比電池快得多，大約是常見電池充電速度的三十倍。在超級電容器的內部沒有電解液進行物理上的變化，所以幾乎不會受到和普通化學電池一樣的損耗。雖然具有很多優點，但是超級電容器離應用還有很遠的路要走。到目前為止，這項技術還只能在實驗室中使用。
從材料的角度講，石墨烯出現的年頭非常短，對此人們還需要更多的研究。從目前的需求上看，超級電容器最先應用的方向就是電動汽車了，如果能成功應用，會大幅縮短電動汽車的充電時間，同時也讓電動汽車跑的更遠。

新型鋰化學電池

還有兩種不同於以往的鋰電池也是值得注意的，第一種是鋰-硫電池，這種電池使用硫碳電極和硫化鋰電解質代替了鋰電池中的原有部分，按照這種方式做出來的電池的實際能量密度已經比鋰電池提高了兩倍。但該電池目前的缺點有以下幾方面，電解質不穩定、充電慢、使用壽命短、發熱比較高。

鋰-硫電池在某些特殊又小眾的領域已經應用一段時間了，雖然一直沒有什麼革命性的突破。同時奧克斯能源也在測試這種電池在電動汽車上的性能。然而手機用户肯定要等一陣子了。因為Sony預測在 2020 年這種電池只比普通鋰電池性能高 40%。

而另一種鋰電池是鋰空氣電池，它的原料是用大氣中的氧氣和電池中的鋰，這種電池理論上的能量密度具有壓倒性的優勢。但是目前這種電池的充放電效率比較差，污染環境的概率比較高和而且有燃燒的風險，因為電池的反應原理就是利用鋰與氧氣燃燒。
雖然很久之前就有鋰空氣電池的消息，但是這種電池被冷落了很久，直到 5 年前人們對電池的要求越來越高，這個電池又開始在研究領域活躍起來。

當然，金屬空氣電池並不只有鋰空氣，還有很多其他的金屬空氣電池一同在發展。比方説鋅空氣電池，是目前最小的長壽命電池，廣泛用於助聽器等方面。鐵空氣電池和鋁空氣電池也是鋰電池潛在的替代品。

其他

環境問題和無處不在的移動需求，促使了電池領域的不停進步。生物技術、納米技術、燃料電池都被提起了太多次，有無數種製作電池的方式和材料。

一般説來，判斷電池前景的方法主要依據這幾點，部分研究機構或者研究者為了賺取研究經費，會過分誇大某些研究的前景。而某些有穩定經濟來源的機構，發表的論文具有更高的可信性，但這並不能保證新技術是必然可行的。

在可預見的未來，鋰電池還是有很大潛力的。這點看三星就知道了，雖然有強大的研發實力和資金但是仍然使用鋰電池。
（ 圖片來自 flickr ）

**本文作者趙蓋子，文章首發頭條，微信公眾號【烯引力】-不僅僅是石墨烯，烯引力致力於發現全球範圍的新材料趨勢。轉載請與微信號 t2ipo001 聯繫，並保留本信息。未包含本信息的轉載將受到侵權投訴。




資料來源：TECH2IPO